estudio del comportamiento a la fatiga y a la fatiga...
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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA Y A LA
FATIGA CORROSIÓN DE UN ACERO ESTRUCTURAL AISI
4340 RECUBIERTO POR UNA PELÍCULA DE DIAMANTE
POLICRISTALINO SINTÉTICO
Presentado ante la Ilustre Universidad Central de
Venezuela Por los bachilleres
Alvarez S., Pedro P. Hernández C., Rafael A.
Para optar por el Título de Ingeniero Mecánico
Caracas, 2008
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA Y A LA
FATIGA CORROSIÓN DE UN ACERO ESTRUCTURAL AISI
4340 RECUBIERTO POR UNA PELÍCULA DE DIAMANTE
POLICRISTALINO SINTÉTICO
TUTOR ACADÉMICO: Prof. Crisanto J. Villalobos G.
Presentado ante la Ilustre Universidad Central de
Venezuela Por los bachilleres
Alvarez S., Pedro P. Hernández C., Rafael A.
Para optar por el Título de Ingeniero Mecánico
Caracas, 2008
- ii -
DEDICATORIA
A Dios ante todas las cosas
por ser lo que somos y
guiarnos hasta lo que seremos
A nuestra familia
por todo el amor y apoyo
durante nuestra vida y nuestra carrera
A nuestro tutor y amigo Crisanto
por su incondisionable amistad y
espíritu de enseñanza y dedicación.
- iv -
AGRADECIMIENTOS
A Dios ante todas las cosas
A nuestro Profesor, compañero, tutor y amigo, Crisanto, por guiarnos y
apoyarnos en este proyecto y en toda nuestra carrera dentro de la casa que vence a
las sombras y magnifico hogar de estudios U.C.V.
A nuestra familia, hermanos y amigos por brindarnos su apoyo y nunca
dejarnos decaer ante cualquier inconveniente. LOS AMAMOS.
A los que no nombramos y a los que no están a nuestro lado para
acompañarnos, a los que ya se han ido y a los que aun están a nuestro lado, a ellos
MIL gracias.
Desde la tierra al cielo que se llene de jubilo, ante las metas alcanzadas, lo
logramos, gracias a ti!
- v -
Alvarez S. Pedro P. Hernández C. Rafael A.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO A LA FATIGA Y A LA FATIGA CORROSIÓN DE UN ACERO ESTRUCTURAL AISI
4340 RECUBIERTO POR UNA PELÍCULA DE DIAMANTE POLICRISTALINO SINTÉTICO
Tutor Académico: Prof. Crisanto Villalobos. Tesis
Caracas, U.C.V. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica. Año 2008, 117 p.
Palabras Claves: Fatiga, Distribución de Weibull, Diamante Sintético
Policristalino, PACVD
Resumen. En este trabajo se estudió el comportamiento a fatiga al aire y fatiga-
corrosión de un acero al carbono (AISI 4340) recubierto con una película de
diamante sintético policristalino obtenido por una técnica de deposición química
en fase vapor asistida por plasma (PACVD). Los ensayos de fatiga se realizaron
en condiciones de flexión rotativa. Las muestras se dividieron en dos grandes
grupos para evaluar 4 magnitudes de esfuerzos distintos, un grupo para ensayar el
substrato y el otro para las muestras recubiertas, utilizando 24 probetas para cada
condición, las cuales son: al aire y a corrosión empleando como medio corrosivo
una solución salina de NaCl al 3 %. Las propiedades mecánicas de esfuerzo de
fluencia y resistencia a la tracción fueron determinadas acorde con la norma
ASTM A-370. La relación entre el esfuerzo alternante y el número de ciclos de
vida del material se determinaron por medio de la expresión de Basquin, así como
el modelo de Weibull; previo a esto utilizando la distribución de frecuencia de
Weibull y un porcentaje de confiabilidad, se obtuvo una mediana entre cada
esfuerzo estudiado y con estas, según los modelos mencionados anteriormente, se
hallaron las curvas de Whöler. Adicionalmente, se llevó a cabo un análisis de
algunas superficies de fractura, por la técnica de microscopia electrónica de
barrido (MEB). Los resultados indican que el acero recubierto aumentó su
resistencia a la fatiga al ser comparados con la condición original del sustrato.
Finalmente, el modelo propuesto por Weibull se ajusta mejor a los datos
experimentales de fatiga al aire que el modelo de Basquin, presentando una
ventaja al suministrar un resultado numérico para el límite de fatiga.
- vi -
INDICE
INDICE GENERAL
RESUMEN…………………………………………………...……………..….... v
INDICE GENERAL……………………………….……………….….………. vi
INDICE DE FIGURAS…………………..………………………….………..... ix
INDICE DE TABLAS………………………………………………………..... xii
INDICE DE GRAFICAS…………………………………………………....... xiv
INTRODUCCIÓN…………………………………………………..………….. 1
CAPITULO I
1. MARCO TEÓRICO……………………………………………..……... 3
1.1. El ACERO AISI 4340………………………………………………..…. 3
1.1.1 Aplicaciones del Acero……………………………………..……. 6
1.2. RECUBRIMIENTO………………………………….…………….…... 7
1.2.1. Diamante Policristalino Sintético…………………………..….… 8
1.2.2. Procesamiento de materiales por Plasma……………………..… 18
1.2.3. Efectos del plasma en procesos de deposición PVD y CVD…… 21
1.2.4. Ventajas y aplicaciones del procesamiento por plasma……….... 23
1.2.5. El proceso de Deposición Química en Fase Vapor Asistida por
Plasma (PACVD) ……………………………………...………..… 24
1.3. FATIGA EN EL ACERO………………………………...…………… 29
1.3.1. Etapas en el proceso de Fatiga………………………..………… 35
1.3.2. Características Fractográficas…………………..………………. 36
1.3.3. Variables que afectan la vida a la fatiga……………………...…. 41
1.3.4. Fatiga – Corrosión……………………...……………………….. 45
1.3.5. Curvas S-N o curvas de Wöhler…………………………...……. 47
1.3.6. Distribución de frecuencia de Weibull: …………………...……. 51
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
vi
INDICE
1.3.6.1 Características generales de la distribución
de Weibull……………………………………………52
1.3.6.2 Análisis de Weibull………………………………..... 55
1.3.7. Resistencia a la fatiga…………………………………...………. 61
CAPITULO II
2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL……………………………...... 63
2.1. DIAGRAMA EXPERIMENTAL…………………………………..… 63
2.2. MATERIAL BASE………………………………………………..….... 64
2.3. MAQUINADO Y PEPARACIÓN DE LAS PROBETAS………….... 64
2.4. DEPOSICIÓN DEL RECUBRIMIENTO……………………….…... 65
2.5. CARACTERIZACIÓN DEL CONJUNTO……………………….…. 67
2.5.1. Metalografía del Substrato……………………………………..... 67
2.5.2. Ensayos de microindentación..………………………………..… 70
2.5.3. Determinación del espesor del recubrimiento Calotest…………. 71
2.6. ENSAYOS DE TRACCIÓN………………………………………...… 74
2.7. ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA – CORROSIÓN…………….... 75
2.8. ESTUDIO FRACTOGRÁFICO…………………………………..….. 78
2.9. WEIBULL ++……………………………………………………..…… 79
CAPITULO III
3. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS………………..... 85
3.1. MATERIAL BASE………………………………………………...…... 85
3.1.1. Caracterización metalográfica del metal base con y sin
recubrimiento…………………………………………………… 85
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
vii
INDICE
3.2. CARACTERIZACIÓN DEL CONJUNTO SUBSTRATO-
RECUBRIMIENTO……………………………………………….…… 86
3.2.1. Determinación del espesor del recubrimiento……………..….… 86
3.3. ENSAYOS DE MICROINDENTACIÓN………………………….… 87
3.4. ENSAYOS DE TRACCIÓN………………………………………...… 89
3.5. ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA – CORROSIÓN……….…...… 92
3.6. ESTUDIO FRACTOGÁFICO (MEB)………………….…………... 107
CAPITULO IV
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACONES…………………...…. 111
4.1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………..…….... 111
4.1.1. Conclusiones………………………..………………………….. 111
4.1.2. Recomendaciones…………………….……………………...… 113
BIBLIOGRAFIA…………………..…………………………………………. 114
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
viii
INDICE
INDICE DE FIGURAS
Figura Nº 1, Arreglo de los átomos de carbón en diamante y grafito……...….. 9
Figura Nº 2, Enlaces de Hibridación sp del Carbono……………………....… 10
Figura Nº 3, Estructuras de los carbinos………………………..………….… 10
Figura Nº 4, Hibridación sp2 del Carbono para dar ligar a una forma alotrópica
del grafito……………………………………………………..… 10
Figura Nº 5, Estructuras del grafito hexagonal (ABAB) y del grafito
romboédrico (ABCA)(sigue los enlaces para ver las
estructuras en 3D) ………...……………………………………. 11
Figura Nº 6, Hibridación sp3 del Carbono para formar diamante cúbico..….. 11
Figura Nº 7, Enlace del Diamante Cúbico y diamante Hexagonal……….….. 12
Figura Nº 8, Textura de un diamante obtenido con alcanfor……………...….. 17
Figura Nº 9, Textura de una película de diamante por RF + DC Plasma CVD de
una mezcla de metano mas hidrogeno…………………………... 17
Figura Nº 10, Ilustración conceptual de una lámina de plasma con carga
espacial positiva frente a un electrodo con potencial negativo (Vs) con
respecto al potencial del plasma (Vp) ………………………..… 23
Figura Nº 11 Principio operativo del proceso PACVD directo……………..… 25
Figura Nº 12 Ciclo de tensión de inversión total…………………………….....34
Figura Nº 13, Ciclo de tensión repetitiva…………………………...………….. 34
Figura Nº 14 Ciclo de tensión al azar……………………………………...….. 35
Figura Nº 15, Representación esquemática que muestra las etapas I y II de la
propagación de fisuras por fatiga en metales
policristalinos…………………………………………………….37
Figura Nº 16, Ilustración esquemática de los mecanismos de probación de fisuras
(etapa-II)………………………………………...…….………… 39
Figura Nº 17, Marcas de Playas…………...………………………………...… 40
Figura Nº 18, Estrías………………………………...……………….………… 40
Figura Nº 19, Estriaciones de fatiga cuando se cambia la amplitud de
tensiones………………………………………………………… 41
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
ix
INDICE
Figura Nº 20, Curva S – N en donde el material muestra un límite a la
fatiga…………………………………………………………….. 48
Figura Nº 21, Curva S – N en donde el material no muestra un límite a la
fatiga…………………………………………………………….. 48
Figura Nº 22, Típica Curva S-N…………...……...………………..................... 50
Figura Nº 23, Variación de la densidad de probabilidad f (t), tasa de fallos l (t) y
la unción acumulativa de fallos F(t) en función del tiempo para
distintos valores del parámetro de forma ß……………………... 54
FiguraNº 24, Lineas de Weibull para las un grupo de muestras.………..……. 57
FiguraNº 25, Curvas S-N de Wöhler para ocho diferentes muestra.….……..... 59
FiguraNº 26, Curvas S-N para los diferentes niveles de confianza de las
muestras……………………………………………………………...... 60
FiguraNº 27, Grafico de fiabilidad para las muestras…..…..………...……..... 60
FiguraNº 28, Esquema de las probetas para ensayos de fatiga en flexión rotativa
según la norma ASTM E 606……………………………………. 65
FiguraNº 29, Esquema de las probetas para ensayos de tracción según la norma
ASTM-A-370………………..…...........……...………………….. 65
FiguraNº 30, Equipo utilizado para cortar las probetas, trasversal y
longitudinalmen………...…………………...................………... 68
FiguraNº 31, Equipo utilizado para realizar el montaje de las probetas para la
metalografía y la microscopía optica………...………..………... 69
FiguraNº 32, Equipo para el ensayo de microdureza vickers…………….…... 71
FiguraNº 33, Ensayo Calotest, para determinar el espesor del recubrimiento.. 73
FiguraNº 34, Máquina de Ensayo de tracción INSTRON modelo 8502………. 74
FiguraNº 35, Máquina de ensayo de fatiga en flexión rotativa……………….. 76
FiguraNº 36, Equipo de Microscopía Electrónica de Barrido……………..….. 79
FiguraNº 37, Ventana principal del programa de Relia Soft Weibull ++….…. 81
FiguraNº 38, Venta del Asistente para Distribuciones………...………...……. 82
FiguraNº 39, Ventana del Relia Soft Weibull ++ al momento de graficar la
función de Probabilidad……………...................…..…….…….. 83
FiguraNº 40, Ventana del programa Weibull ++, coín de cálculos rápídos….. 84
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
x
INDICE
FiguraNº 41, Microestructura del substrato de la probeta Recubierta(izquierda)
sin recubrir (derecha) en la sección longitudinal…..………….. 85
FiguraNº 42, Microestructura del substrato de la probeta Recubierta(izquierda)
sin recubrir (derecha) en la sección transversal…..…………..... 86
Figura Nº 43, Vista general del área de fractura del conjunto substrato
recubrimiento ensayado a fatiga al aire sometido a un esfuerzo de
726 MPa(a) y a un esfuerzo de 688 (b)……………………...… 107
FiguraNº 44, Microfotografía del área de fractura del conjunto substrato
recubrimiento ensayado a fatiga al aire sometido a un esfuerzo de
726 MPa (a) y de las marcas radiales (b)……………………... 108
FiguraNº 45 Microfotografía de las marcas radiales, de la muestras substrato
recubrimiento, sometido a un esfuerzo alternante de 726 MPa (a),
estriaciones de fatiga (b) y microhoyuelos (c)………………… 109
FiguraNº 46, Microfotografía del área de fractura del conjunto substrato
recubrimiento ensayado a fatiga corrosión sometido a un esfuerzo
de 726 MPa (a) y de las estriaciones de fatiga (b)…………….... 109
FiguraNº 47, Microfotografía de los microhoyuelos, de la muestras substrato
recubrimiento, sometido a un esfuerzo alternante de
726 MPa……………………………………………………….. 110
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
xi
INDICE
INDICE DE TABLAS
Tabla Nº 1, Propiedades Mecánicas de un Acero AISI 4340…..………........... 4
Tabla Nº 2, Propiedades del Diamante…..……..…………………..…..….... 13
Tabla Nº 3, Tabla de resultados para dos niveles de esfuerzo…..……..….… 58
Tabla Nº 4, Parámetros de Weibull acorde con los resultados experimentales
de las muestras…….……………………………………..…….. 58
Tabla Nº 5, Composición química del acero AISI 4340 en % en peso…........ 64
Tabla Nº 6, Propiedades del Diamante Policristalino Sintético…..……........ 66
Tabla Nº 7, Especificación de la cantidad y tipo de probetas utilizadas con sus
respectivas normas…..…………………………………….......... 66
Tabla Nº 8, Resultado de los ensayos de Calotest, para medir el espesor del
recubrimiento…..…………………………………….................. 87
Tabla Nº 9, Resultado de los ensayos de dureza Vickers de substrato AISI 4340
con y sin recubrimiento…………..………................................... 88
Tabla Nº10, Resultado de los ensayos de tracción del substrato AISI 4340 con y
sin recubrimiento……….…………….......................................... 90
Tabla Nº 11, Ensayos de fatiga al aire del Acero AISI 4340 sin
recubrimiento ................................................................................ 92
Tabla Nº 12, Ensayos de fatiga al aire del Acero AISI 4340 + recubrimiento.. 93
Tabla Nº 13, Ensayos de fatiga corrosión del Acero AISI 4340 sin
recubrimiento................................................................................. 93
Tabla Nº 14, Ensayos de fatiga corrosión del Acero AISI 4340 +
recubrimiento................................................................................. 94
Tabla Nº 15, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga
al aire del material base................................................................ 97
Tabla Nº 16, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga
al aire del conjunto Substrato-Recubrimiento.............................. 98
Tabla Nº 17, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga
corrosión del material base........................................................... 99
Tabla Nº 18, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga
corrosión del conjunto Substrato-Recubrimiento........................ 100
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
xii
INDICE
Tabla Nº 19, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo
de fatiga al aire del substrato...................................................... 101
Tabla Nº 20, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo
de fatiga al aire del conjunto substrato-recubrimiento............... 101
Tabla Nº 21, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo
de fatiga corrosión del substrato................................................. 102
Tabla Nº 22, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo
de fatiga corrosión del conjunto substrato-recubrimiento.......... 102
Tabla Nº 23, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo
de Fatiga al aire de las muestras del Substrato.......................... 105
Tabla Nº 24, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo
de Fatiga al aire de las muestras del conjunto Substrato-
Recubrimiento.............................................................................. 105
Tabla Nº 25, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo
de Fatiga corrosión de las muestras del Substrato..................... 106
Tabla Nº 26, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo
de Fatiga corrosión de las muestras del conjunto Substrato-
Recubrimiento.............................................................................. 106
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
xiii
INDICE
INDICE DE TABLAS
Gráfica Nº 1. Curva de la Carga vs. Dureza Vickers del Substrato AISI 4340 con
y sin recubrimiento........................................................................ 89
Gráfica Nº 2. Curva de Esfuerzo real vs. Deformación real del Acero AISI
4340............................................................................................... 91
Gráfica Nº 3. Curva de Esfuerzo real vs. Deformación real del Acero AISI
4340+Recubrimiento..................................................................... 91
Gráfica Nº 4. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga al
aire del material base a los cuatro niveles de esfuerzo juntos...... 97
Gráfica Nº 5. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga al
aire del conjunto substrato-recubrimiento a los cuatro niveles de
esfuerzo juntos............................................................................... 98
Gráfica Nº 6. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga
corrosión del material base a los cuatro niveles de esfuerzo
juntos............................................................................................. 99
Gráfica Nº 7. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga
corrosión del conjunto substrato-recubrimeinto a los cuatro niveles
de esfuerzo juntos........................................................................ 100
Gráfica Nº 8. Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga al aire del Acero AISI
4340 y el acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el modelo
de Basquin................................................................................... 101
Gráfica Nº 9. Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga corrosión del Acero
AISI 4340 y el acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el
modelo de Basquin....................................................................... 102
Gráfica Nº 10.Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga al aire del Acero
AISI 4340 y el acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el
modelo de Weibull....................................................................... 104
Gráfica Nº 11.Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga corrosión del Acero
AISI 4340 y el acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el
modelo de Weibull....................................................................... 105
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
xiv
Introducción
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
1
INTRODUCCIÓN:
Dentro de los múltiples campos del conocimiento que son competencia del
ingeniero mecánico, se encuentra el relacionado con el Diseño, actividad, que en la
actualidad, es considerada por muchos, esencialmente interdisciplinaria, esta, en su
concepción mas general, abarca desde el simple planteamiento de una idea, hasta lograr
materializarla, ya que las nuevas corrientes del pensamiento en ingeniería de diseño,
sugieren la incorporación de etapas sucesivas interconectadas, que permiten incluso la
definición desde el inicio de los métodos y modos de producción del bien. Desde luego
que dentro de este complejo proceso, es fundamental el gozar de sólidas bases en el
manejo, conocimiento de los sistemas materiales, esto garantizaría una selección
apropiada, de acuerdo a las exigencias o solicitudes externas. Cuando hablamos de
conocer los sistemas, nos referimos al manejo preciso de la información característica
que lo define como sustancia, aquí se definen sus propiedades Físico-Químicas, ópticas,
magnéticas y por que no hasta alcanzar propiedades relacionadas con información a
escala atómica, que en gran medida nos ayuda a comprender el desempeño macro-
mecánico de estos sistemas materiales, por lo que el desarrollo de estudios tendientes a
predecir el comportamiento mecánico de los materiales de ingeniería bajo condiciones
particulares de servicio, no puede considerarse optativo, es aquí que de acuerdo a las
nuevas tendencias tecnológicas, en las cuales el objetivo primordial es conferir a
substratos comunes valor agregado a través de la incorporación de tratamientos
superficiales, se hace necesario desarrollar actividades de investigación tanto en el
campo científico como tecnológico, que permita establecer el efecto en su conjunto que
estas nuevas tecnologías aportan sobre los substratos tratados. En la mayoría de la
literatura especializada, es común el observar como todos los desarrollos de nuevas
técnicas de ingeniería de superficie tienen una fuerte componente en mejorar el
desempeño tribológico de los conjunto substrato recubrimiento, entendiendo esto como
mejoras substanciales en la resistencia a mecanismos de desgaste tales como, Erosión,
Abrasión, incremento en la estabilidad química tanto a bajas como a temperaturas
elevadas, mejoras en la resistencia a la corrosión, por enunciar algunas de las
propiedades que dependen fundamentalmente de las características que el material
expone en su superficie.
Introducción
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV
2
En la historia reciente y esto es evidenciable en la literatura que hoy en día, es
comúnmente utilizada en el dictado de cursos de pre y post grado, se tiene la tendencia a
sugerir que la gran mayoría de los tratamientos superficiales atentan contra las
propiedades de carácter volumétrico en especial las relacionadas con el desempeño bajo
condiciones dinámicas de carga, como es el caso de la Fatiga, aspecto muy cuestionado
en la actualidad y en donde pretendemos desarrollar la presente investigación. El
propósito fundamental que se persigue es determinar el efecto que una fina película de
naturaleza cerámica obtenida por un proceso de deposición química en fase vapor
asistida por plasma, tendrá al ser depositada sobre un acero de media aleación
específicamente el AISI 4340 en condición de Bonificado, sobre su comportamiento a la
fatiga y fatiga corrosión, utilizando para ello lo contemplado en las normas ASTM
correspondiente a saber, ASTM E-606, 468, el estudio se desarrollará en términos del
análisis propuesto por Weibull para tal fin.
La realización del presente estudio implica el manejo de técnicas ampliamente
conocidas y estandarizadas; tal como puede evidenciarse en la revisión bibliográfica
realizada, existe suficiente información, tanto local como internacional, en temas afines
con el presente estudio que sustentan la viabilidad de su ejecución; claro esta su
importancia radica en el hecho de aportar nuevos datos experimentales que permitan
ampliar la cantidad de materiales disponibles en el mercado con aplicaciones
ingenieriles, además de fomentar el desarrollo de nuevos materiales que puedan
desempeñarse de forma adecuada ante las mas exigentes condiciones.
Marco Teórico CAPITULO I
CAPITULO I
MARCO TEÓRICO
1.1. EL ACERO AISI 4340
Comúnmente se entiende por acero la aleación de hierro y carbono, donde
el carbono no supera el 2% en peso de la composición de la aleación. Porcentajes
mayores al 2% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones quebradizas y
no forjables a diferencia de los aceros. Para mejorar las propiedades del acero se
añaden elementos aleantes.
Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi
secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que
producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles;
esto se ha tratado de normalizar según instituciones dedicadas a esto a nivel
mundial. Según la American Iron and Steel Institute (AISI), la serie AISI 4XXX
son aceros que están medianamente aleados, específicamente la serie AISI 43XX
tiene en su constitución dentro de sus elementos aleantes el níquel, cromo y
molibdeno; cada uno de estos añadidos le otorga mejoras en distintas propiedades
como por ejemplo, una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel,
es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para
producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos
críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más
bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se
observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza,
un límite de elasticidad ligeramente más elevado, mayores alargamientos y
resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. El níquel es un
elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la
fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad. En cuanto
al molibdeno es un elemento habitual del acero y aumenta la profundidad de
endurecimiento del mismo, así como su tenacidad; mejora notablemente la
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
3
Marco Teórico CAPITULO I
resistencia a la tracción y la resistencia al creep de los aceros. El molibdeno se
disuelve en la ferrita, pero tiene una fuerte tendencia a formar carburos. Es un
potente estabilizador de los carburos complejos y tiende a retardar el
ablandamiento de los aceros, durante el revenido. Por último el cromo es uno de
los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados,
usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en
los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas
desde 0.3 % a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la
resistencia a la tracción de los aceros, impide las deformaciones en el temple,
aumenta la resistencia al desgaste, la resistencia a la oxidación, etc. Forma
carburos muy duros y aporta al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a
cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los
aceros características de inoxidables y refractario.
Todo esto conlleva a que específicamente el acero AISI 4340 tenga una
buena resistencia a la tracción y torsión. Muy buena resistencia al desgaste, al
impacto y a la fatiga. Utilizable a temperaturas hasta de 500ºC sin perder su
estado de bonificado. En la tabla Nº 1, se muestran las propiedades mecánicas de
un Acero AISI 4340 y el resumen de propiedades que se obtienen con esta
aleación, en los diferentes tratamientos.
Tabla Nº 1. Propiedades Mecánicas de un Acero AISI 4340
Propiedades Mecánicas Tratamientos Térmicos Estado de Resistencia Límite Alargamiento Reducción Dureza Temperatura Medio de
Suministro A la
tracción Elastico % De Area Brinell [ºC] Enfriamiento Kg/mm2 Kg/mm2 % L
Denominación
Laminado 65 / 75 45 20 50 210 /240 Forja 850 / 1100
Ceniza o Cal
Temple 820 / 860 Aceite Normalizado 850 / 870 Aire Calibrado 75 / 85 65 10 30 240 /
260 Recocido 690 / 720 Horno
Bonificado 90 / 110 80 16 45 260 / 320 Revenido 540 / 660 Aire
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
4
Marco Teórico CAPITULO I
Como consecuencia, los tratamientos térmicos cambian la microestructura
del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son
alteradas.
Un acero se le denomina en estado de bonificado cuando este ha pasado
por un tratamiento térmico de temple y revenido. El temple es un tratamiento
térmico que se le realiza a las piezas ya conformadas por mecanizado, para
aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El proceso se lleva a cabo
calentando el acero a una temperatura aproximada de 915°C en el cual la ferrita se
convierte en austenita, después la masa metálica es enfriada rápidamente,
sumergiéndola o rociándola en agua, en aceite o en otros fluidos o sales,
obteniéndose una estructura martensítica. El temple es uno de los principales
tratamientos térmicos que se realizan y lo que hace es disminuir y afinar el tamaño
del grano de la alineación de acero correspondiente.
Las características generales del temple son:
• Hace al acero más duro y resistente pero más frágil
• La temperatura de calentamiento puede variar de acuerdo a las
características de la pieza y resistencia que se desea obtener.
• El enfriamiento es rápido.
• Si el temple es muy brusco las piezas se pueden agrietar.
Después del temple siempre se suele hacer un revenido. En cuanto a este
es un tratamiento térmico que tiene como fin reducir las tensiones internas de la
pieza originadas por el temple o por deformación en frío. Mejora las
características mecánicas reduciendo la fragilidad, disminuyendo ligeramente la
dureza, esto se agudizará mientras más elevada sea la temperatura de revenido.
Las características generales de este tratamiento térmico son:
• Es un tratamiento que se da después del temple.
• Se da este tratamiento para ablandar el acero.
• Elimina las tensiones internas.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
5
Marco Teórico CAPITULO I
• La temperatura de calentamiento está entre 150 y 500 ºC.
• El enfriamiento puede ser al aire o en aceite.
1.1.1. Aplicaciones del Acero
El acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en
nuestra vida cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y
formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general, así como en las
estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios
modernos. Entre los campos de ingeniería, los consumidores de acero que
podemos citar son: fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones)
y maquinaria agrícola, constructoras de índole ferroviario desde la construcción de
infraestructuras viarias, así como la fabricación de todo tipo de material rodante,
la industria fabricante de armamento, especialmente la dedicada a construir
armamento pesado, vehículos blindados y acorazados, grandes astilleros
constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u otros buques
cisternas, entre otros. A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes
del automóvil que son de acero:
Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones,
ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección.
De chapa estampadas son las puertas y demás componentes de la
carrocería.
De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor.
Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles
de válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc.
De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los
automóviles.
De chapa troquelada son los rines de las ruedas, excepto las de alto
rendimiento que son de aleaciones de aluminio.
De acero son todos los tornillos y tuercas.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
6
Marco Teórico CAPITULO I
Cabe destacar que cuando el automóvil se descarta por su antigüedad y
deterioro se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son
reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o
piezas de fundición de hierro.
Entonces al encontrarnos con el caso específico de el Acero AISI 4340 nos
damos cuenta que constituye un material muy importante para la ingeniería, y se
utiliza para partes y en general elementos de máquina sometidos a muy altos
esfuerzos dinámicos como cigüeñales, ejes de leva, árboles de transmisión, barras
de torsión, ejes cardan, tuercas de alta tensión, piñones, ruedas dentadas, moldes
para inyección de plásticos, etc.
Se utiliza generalmente en la fabricación de piezas que requieren una
buena combinación entre dureza y tenacidad. Tales como tornillería de alta
resistencia templada y revenida de gran sección, levas de mando, engranajes para
máquinas, ejes para carros y camiones, discos de freno, bielas para motores.
Debido a su composición química (Cr, Ni, Mo) tiene un gran rendimiento en
piezas sometidas a ciclos de trabajo.
1.2. RECUBRIMIENTO
Un recubrimiento puede ser definido como "una región superficial de un
material con propiedades diferentes de las del material base". Los objetivos que se
pretenden obtener con el empleo de los recubrimientos son básicamente
reemplazar, modificar y/o lubricar superficies. Las tres principales áreas en las
que los recubrimientos han experimentado grandes avances son: el desgaste, la
disminución de la fricción y las barreras térmicas. El uso del recubrimiento
permite que el material base sea optimizado para objetivos tales como resistencia
mecánica, ligereza, etc., mientras que la superficie es optimizada para la
resistencia al desgaste, a la fricción, o como aislamiento térmico o eléctrico entre
otras aplicaciones.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
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Marco Teórico CAPITULO I
La necesidad de mejorar las propiedades físicomecánicas de los materiales
ha conducido al desarrollo de nuevos recubrimientos duros y superduros con
durezas superiores a 40 GPa comparadas con la dureza del diamante la cual es de
aproximadamente 96 GPa[1]. Los recubrimientos duros que en su mayoría
son resistentes al desgaste y a la corrosión han sido utilizados comercialmente
para incrementar la vida útil de algunos elementos industriales, como por ejemplo,
las herramientas de corte, piñones, rodamientos y componentes de maquinaria
industrial [2]. Las aplicaciones incluyen recubrimientos para protección, barreras
térmicas, aplicaciones ópticas, biomedicina, semiconductores, y usos decorativos.
Con los recubrimientos duros es posible mejorar propiedades superficiales de los
materiales o propiedades que dependen de la superficie, tales como la dureza,
resistencia a la corrosión y al desgaste [3]. Estas propiedades junto con las
propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas no solo son de interés científico, sino
también tecnológico, ya que tanto en los sistemas mecánicos como biológicos se
necesita mejorar la vida útil, ahorrar energía, incrementar la eficiencia y la
confiabilidad [4]. Los materiales metálicos específicamente los aceros que se les
aplican recubrimientos duros presentan alta dureza superficial, bajo coeficiente de
fricción, alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la corrosión y estabilidad
dimensional con temperaturas de trabajo menores de 500°C [5]. Las características
anteriores dependen de varios factores, como el tipo de material a recubrir, la
clase de recubrimiento, la compatibilidad y la adhesión del recubrimiento duro
sobre el material a recubrir, y el proceso utilizado para la síntesis de la película.
1.2.1. Diamante Policristalino Sintético
El diamante existe en la naturaleza en forma cristalina y está compuesto
únicamente de átomos de carbono (C). El grafito es otro material compuesto de
carbono el cual es estable a temperatura ambiente y presión atmosférica. A pesar
de que el diamante y el grafito es carbono, la diferencia entre los dos materiales es
el arreglo de los átomos de carbono en la red, la misma se puede observar en la
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
8
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 1. Dicho arreglo atómico es responsable por la dureza del diamante y lo
blando del grafito.
Red del diamante Red del grafito Figura Nº1, Arreglo de los átomos de carbono en diamante y grafito
El grafito y el diamante son dos formas alternativas de cristalización del
carbono. Aunque las dos están presentes en la naturaleza, en realidad sólo el
grafito es estable mientras que el diamante es metaestable ya que, la
transformación a su forma estable, el grafito, es extremadamente lenta. Esto tiene
como consecuencia que no se sintetiza espontáneamente en condiciones
ordinarias. Las estructuras a las que dan lugar las diversas combinaciones de
átomos de carbono pueden llegar a ser muy numerosas. En consecuencia, existen
una gran variedad de materiales de carbono. Para intentar explicar las diferentes
estructuras de estos conviene empezar a una escala atómica. Así, los átomos de
carbono poseen una estructura electrónica 1s2 2s2 2p2, lo que permite que los
orbitales atómicos de los átomos de carbono puedan presentar hibridaciones del
tipo: sp, sp2 y sp3.
Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp dan lugar a
cadenas de átomos, en las que cada átomo de carbono está unido a otro átomo de
carbono por un enlace triple y a un segundo átomo de carbono por un enlace
sencillo.
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9
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 2, Enlaces de Hibridación sp del Carbono
Este tipo de estructuras constituyen una forma alotrópica del carbono poco
común: los carbinos. Estos pueden presentar una estructura lineal o cíclica.
Dos de las estructuras propuestas para los carbonos
Figura Nº 3, Estructuras de los carbinos
Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp2, cada átomo
de carbono se une a otros 3 en una estructura plana que da lugar a la forma
alotrópica del grafito.
Figura Nº 4, Hibridación sp2 del Carbono para dar ligar a una forma alotrópica del grafito
Los átomos de carbono forman un sistema de anillos condensados que dan
lugar a láminas paralelas entre si. Los enlaces químicos de las láminas son
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
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Marco Teórico CAPITULO I
covalentes entre orbitales híbridos sp2, mientras que los enlaces entre las láminas
son por fuerzas de van der Waals. Dependiendo del apilamiento de las láminas
existen dos formas alotrópicas diferentes: el grafito hexagonal, que es la forma
termodinámicamente estable en la que la secuencia de apilamiento de las láminas
es ABAB; y el grafito romboédrico, que es una forma termodinámicamente
inestable, y mucho menos abundante, con una secuencia de apilamiento
ABCABC.
Figura Nº 5, Estructuras del grafito hexagonal (ABAB) y del grafito romboédrico (ABCA)
Cuando se combinan átomos de carbono con hibridación sp3 cada átomo
de carbono se une a otros cuatro formando una estructura tridimensional que da
lugar a la forma alotrópica del diamante.
Figura Nº 6, Hibridación sp3 del Carbono para formar diamante cúbico
El diamante cúbico es la estructura más habitual de esta forma alotrópica.
Sin embargo, bajo ciertas condiciones el carbono cristaliza como diamante
hexagonal o lonsdaleita (llamada así en honor a Kathleen Lonsdale), una forma
similar al diamante pero hexagonal. Esta forma inusual del diamante se encontró
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Marco Teórico CAPITULO I
por primera vez en 1967 en forma de cristales microscópicos, asociados al
diamante, en restos del meteorito del Cañón del Diablo en Arizona. Con
posterioridad también se ha identificado esta forma de diamante en otros
meteoritos. Se cree que se forma cuando en el momento del impacto de meteoritos
que contienen grafito contra la Tierra, de forma que el calor y energía del impacto
transforman el grafito en diamante manteniendo en parte de la estructura
hexagonal del grafito.
Diamante cúbico
Diamante hexagonal
Figura Nº 7, Enlace del Diamante Cúbico y diamante Hexagonal
Apreciado durante siglos como piedra preciosa, el Diamante no ha dejado
de asombrar a medida que se iban conociendo sus distintas propiedades. En
efecto, el Diamante ostenta varios récords (dureza, módulo elástico,
incompresibilidad, conductividad térmica) y obtiene excelentes puntuaciones en
muchas otras propiedades (coeficiente de dilatación, fricción, transparencia desde
el ultravioleta al infrarrojo, inercia química, aislante eléctrico).Algunas de estas
propiedades se pueden observar en la tabla Nº 2.
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12
Marco Teórico CAPITULO I
Tabla Nº 2, Propiedades del Diamante
DIAMANTE
Propiedad Valor REFERENCIA
Dureza 30-100 GPa Carburo de Tungsteno: 18 GPa Módulo de Young 1180 GPa Carburo de Tungsteno: 600 GPa Coef. de Fricción 0,05-0,15 Teflon: 0,05-0,1
Desgaste (relativo) 1 Carburo de Tungsteno: 120 Conductividad Térmica 1000-2000 W/m K Plata: 429 W/m K
Dilatación 0,8x106 K Invar: 0,8x106 K Resistividad 1012 Omh-cm Silicio: 2,3 105 Omh-cm
No es de extrañar que sus aplicaciones industriales potenciales sean
amplísimas, tanto en industria mecánica como química, óptica o electrónica. Las
aplicaciones industriales de este material experimentaron un decisivo impulso
cuando, a mediados de los años 50, se desarrollaron técnicas para sintetizarlo
artificialmente. Estos diamantes artificiales se fabrican sometiendo el grafito a
altas temperaturas (>1600ºC) y altísimas presiones (>50.000 atm) en el seno de un
metal fundido que actúa de catalizador. La producción mundial supone decenas de
toneladas por año y un mercado de cientos de millones de dólares.
Sin embargo, las técnicas de alta presión tienen grandes limitaciones lo
que hace comprensible el entusiasmo despertado por el desarrollo, en los años 80,
de técnicas de baja presión, precisamente mediante Plasma-CVD.
Los trabajos de Eversole [6] en la década de 1950 y las principales
contribuciones de Angus, Dejarquin, Fedoseev y Matsumoto han orientado el
camino para producir películas de diamante por CVD. El bajo costo de capital, la
variedad y versatilidad del proceso de CVD para la producción de diamante han
iniciado una esperanza renovada para la variedad del uso del diamante por la
industria. Como ya se ha mencionado el carbono se puede presentar en dos
formas, en diamante y en grafito, el diamante esta compuesto por átomos de
carbono en forma de tetraedro (sp3) mientras que el grafito, los átomos de carbono
se encuentran en un plano de forma triangular (sp2). En estas técnicas, se
introduce en el reactor una mezcla de Hidrógeno (H2) y algún compuesto gaseoso
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13
Marco Teórico CAPITULO I
de carbono (típicamente metano, CH4). La proporción habitual es Hidrógeno 99:
Metano 1. En condiciones de baja presión alrededor de 1 mbar y temperatura en
el orden de 700ºC-900ºC, se establece una cadena de reacciones complejas que
tienen como resultado la formación sobre la superficie, de pequeños núcleos
cristalinos de diamante. El papel del hidrógeno es clave tanto para deshidrogenar
el metano (CH4+ 2H2 → C + 4H2) como para mantener la hibridación sp3 del
carbono, de manera que cristalice como diamante en lugar de como grafito.
Pequeñas proporciones de otros gases (02, CF4, etc.) y el ajuste fino de los
parámetros del proceso permiten obtener velocidades de deposición más altas e
incluso bajar la temperatura del proceso. Inicialmente se creía que era necesaria
una temperatura en el substrato por encima de los 1000 K, pero en una etapa
posterior se encontró que esta deposición podía ocurrir a 700 K o menos. Sin
embargo dependiendo de la temperatura del substrato y la cantidad relativa de
hidrocarburos e hidrógeno en el reactor de plasma, la morfología de la película,
especialmente el contenido de carbono en forma de grafito (sp2) puede variar
sustancialmente. Por lo tanto, las propiedades físicas de la película son muy
sensibles al contenido de grafito en relación al contenido de carbono tetraédrico
(sp3) en la película. Suele ser difícil determinar si un recubrimiento de carbono
obtenido por CVD o PACVD es de diamante, de esta manera otro material
metaestable con contenido de carbono amorfo, con alta hibridación sp3 empezó a
ser un valioso subproducto en la síntesis de diamante, las propiedades de estas
películas son semejantes y a veces ventajosas con respecto a las de diamante, estas
se denominan Películas Diamante Tipo Carbono (DLC) las cuales son amorfas y
no muestran cristales en la microscopia electrónica de barrido (SEM), el
contenido de hidrógeno en estas películas producen un profundo efecto en las
propiedades mecánicas. Dependiendo de la cantidad relativa de carbono en
hibridaciones sp2 y sp3 se define un término llamado R=sp2/(sp2+sp3) y de esta
manera es posible tener una aproximación de valores de R si la película es DLC
Diamante o Grafito.
No es posible pasar por alto, la pontenciabilidad de las películas de DLC,
la temperatura de deposición de estas es mucho mas baja que en las películas de
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14
Marco Teórico CAPITULO I
diamante lo que las hace aptas para la deposición incluso sobre materiales como el
plástico. Este material destaca por exhibir una alta dureza, baja fricción y buena
resistencia al desgaste. Gracias a sus excelentes propiedades mecánicas y
tribológicas, el DLC presenta numerosas aplicaciones como recubrimiento
protector y lubricante sólido. Como ejemplos, podemos citar el recubrimiento de
herramientas de corte, discos duros de computadoras y prótesis ortopédicas. Las
técnicas más frecuentes para el depósito de DLC son el depósito químico en fase
vapor activado por plasma (PECVD), el arco catódico, y la pulverización catódica
con magnetrón [7]. Una desventaja importante presentada por las capas de DLC es
su elevado esfuerzo compresivo residual, limita el grosor de las capas a unas
pocas decenas de nanómetros. La superación de este grosor provoca
inestabilidades en el material que conducen a problemas de adhesión e incluso a la
delaminación de la capa.
En 1971 A Aisenberg y Chabot [6] demostraron que películas de carbono
con propiedades similares al DLC pueden ser preparadas usando iones de carbono
de baja energía. El más importante trabajo tecnológico en esta área fue
desarrollada por Holland y Ojha en 1976 con la técnica de radio frecuencia para la
producción de plasmas. Distintas técnicas han sido desarrolladas para la
deposición de películas de diamante y DLC, entre las cuales están sputtering, DC,
RF o microondas plasma CVD. Vale la pena mencionar la excelente labor llevada
a cabo por Jubber y Jhon sobre la deposición de películas de diamante MWPCVD
(Microwave Plasma CVD) para aplicaciones industriales.
El uso del diamante, el cual es generalmente de naturaleza policristalina
esta restringido debido a el efecto de los limites de grano, tamaños de grano
grandes producen una superficie muy áspera que a menudo se convierten en un
factor limitante en el uso de películas de diamante como recubrimiento de
aplicaciones ópticas y capas de baja fricción. Las películas nanocristalinas de
diamante son básicamente policristalinas en la naturaleza con tamaños de grano a
escala nanométrica. Partículas uniformes de diamante nanocristalino fueron
depositados por Gruen y K. Zhou [6], con MWCVD en un ambiente de argon y
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15
Marco Teórico CAPITULO I
metano, ellos han observado que a mayor presión del gas reactante la
concentración de carbono aumenta y esta concentración de carbono parecía ser el
parámetro clave para la deposición de películas de diamante nanocristalino, por
otra parte Chakrabarti depositó diamante nanocristalino en un substrato de sílice
fundido y silicón por CVD en una mezcla de alcanfor (C10H16O) e hidrógeno
aproximadamente de 75%, ellos también estudiaron las propiedades ópticas de
diamante sintetizado por CVD con una mezcla de gas precursor de metano e
hidrógeno. La textura de este diamante con alcanfor y la de una película de
diamante por RF + DC Plasma CVD de una mezcla de metano mas hidrógeno se
muestran en la Figura Nº 8 y Figura Nº 9 respectivamente. Policristales largos de
diamante (con un tamaño aproximado de grano de 3,2 μm ) son visibles en la
figura Nº 9. En películas depositadas a 1150 K, granos de mucho menor tamaño
(0,13 μm) se encuentran en la película depositada a 573 K por CVD. La superficie
de esta película es bastante suave, en los espectros de FTIR no había un destacado
pico de absorción de carbono e hidrógeno alrededor de 2900 cm-1, además la
presencia de la variación de carbono sp3 de 1337 cm-1 fue indicada por el espectro
de Raman. El cambio positivo del pico de Raman de los granos puede ser
atribuido a los esfuerzos compresivos desarrollados en la película.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
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Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 8, Textura de un diamante obtenido con alcanfor
Figura Nº 9, Textura de una película de diamante por RF + DC Plasma CVD de una mezcla de
metano más hidrogeno
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Marco Teórico CAPITULO I
Novikov y Dub [6] usando el método de identación de Vickers midieron la
dureza y resistencia a la fractura de películas de diamante CVD, compararon esta
dureza y resistencia a la fractura con la de los diamantes naturales. La dureza del
diamante natural vario entre 64 y 67 GPa con largas grietas radiales emitidas
desde las esquinas de la marca dejada por el indentador. Hubo la evidencia de
grietas por corrosión debido a los altos esfuerzos residuales en las esquinas. Un
valor de dureza de 75 GPa fue obtenido de una película de 90 μm. Por otra parte
Miyoshi estudio la fricción y el desgaste de películas de diamante depositada por
Plasma CVD, este usó un sistema de deposición de una fuente de Microondas de
alta presión para depositar diamante sobre superficies de silicio, carburo
policristalino de silicio y nitruro policristalino de silicón. Estos hicieron
experimentos para determinar el coeficiente de fricción con aire húmedo y
nitrógeno seco en alto vacío, la característica tribológica de las películas de
diamante vario con el ambiente, los coeficiente de fricción para las películas de
diamante esta entre 0,02 – 0,04 en aire húmedo y nitrógeno seco. En vacío el valor
aumento en 1,5 – 1,8. Lo que muestra que el coeficiente es mucho mayor en vacío
que en ambiente húmedo y nitrógeno seco.
1.2.2. Procesamiento de materiales por plasma
El procesamiento por plasma se refiere, en su contexto más amplio, a un
número de técnicas que utilizan plasmas, para modificación superficial o
volumétrica de materiales. En el caso de procesos superficiales, los mismos
incluyen tanto la deposición de un recubrimiento delgado sobre un substrato de un
material diferente, como la modificación de las capas superficiales de un material,
alterando su morfología, limpieza o composición química. En ambos casos, el objetivo de
la modificación es adaptar de la manera más efectiva posible las propiedades superficiales
del material tratado, a sus requerimientos de comportamiento funcional. Así, por ejemplo,
puede mejorarse la resistencia al desgaste o a la corrosión de un material dado, su
compatibilidad fisicoquímica con determinados medios, su apariencia estética,
etc. En el caso de modificación volumétrica, el cambio puede abarcar tanto su
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
18
Marco Teórico CAPITULO I
composición química como su geometría. Ejemplos de estas aplicaciones son el
uso de plasmas para descontaminación de afluentes gaseosos, en el primer caso, y
el uso de antorchas de plasma para corte y soldadura de metales, en el segundo caso.
La utilización de recubrimientos por el hombre es tan antigua como la civilización
misma, considerando la existencia de pinturas rupestres que datan de 30.000 a
10.000 años atrás. Más allá de los progresos limitados que se registraron en la
antigüedad, basados en enchapados, baños en metales líquidos y barnices, recién a partir
de la revolución industrial comenzó un desarrollo consistente del tema, que marcó un
hito importante con el uso de la técnica de electrodeposición a partir de 1840. El
método se desarrolló inicialmente para plata, oro y zinc y se extendió después a
platino, cobre, níquel, estaño y plomo. Otro hito importante establecido durante el
siglo IXX fue la producción de las primera películas delgadas metálicas por
evaporación en vacío, hecho atribuido a Nahrwold en 1.887 y que constituye la
base de las técnicas denominadas PVD (Physical Vapor Deposition) de deposición en
fase vapor. En este proceso, material contenido en un crisol se evapora por aporte
de calor dentro de una cámara en condiciones de alto vacío; parte de las especies
evaporadas se depositan y condensan sobre la pieza de interés, formando un
recubrimiento. La técnica de evaporación en vacío tuvo inicialmente una amplia
aplicación en óptica y uno de sus resultados más notables fue el recubrimiento en 1935
del espejo del telescopio del observatorio de Mount Wilson, de 2.5 m de diámetro.
A fines del siglo IXX (1880) también se gestaron las ideas básicas y se produjeron
las primeras aplicaciones de la técnica de deposición química en fase vapor, denominada
CVD (Chemical Vapor Deposition). En este caso, el recubrimiento se forma como
resultado de reacciones químicas sobre la superficie de un substrato caliente inmerso en
una mezcla gaseosa, cuyas especies pueden reaccionar químicamente entre sí para formar
el compuesto del recubrimiento en base a la energía de activación aportada por el
substrato caliente. Por este hecho, el proceso se denomina usualmente CVD
térmico. La temperatura del substrato es típicamente del orden o superior a los
1000°C, lo que limita severamente los materiales que pueden ser recubiertos por este
método. Finalmente, también a fines del siglo IXX se concibieron las ideas básicas
para la producción de recubrimientos metálicos por proyección, utilizando una llama
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
19
Marco Teórico CAPITULO I
convencional. Este método se basa en aportar el material a depositar bajo la forma
de un polvo metálico a la vena fluida de los gases que producen la llama. El polvo
metálico caliente y en estado pastoso es proyectado contra la superficie a ser
recubierta, donde se adhiere y enfría formando un recubrimiento.
A partir de comienzos del siglo XX se registraron avances en varios frentes.
En 1925 se desarrolló la electrodeposición de níquel-cromo, con lo que tomó gran
auge la producción industrial de recubrimientos decorativos y protectores, que
sigue vigente a la fecha. A partir de 1910 se estableció comercialmente el método
de recubrimiento con metales por proyección, utilizando una llama de
oxiacetileno, la que daría lugar a mediados de la década de 1950 a la técnica de
proyección por plasma. Otra técnica desarrollada en las primeras décadas del siglo
fue la de nitruración gaseosa, para endurecimiento de aleaciones ferrosas. No obstante
estos desarrollos, relativamente aislados, fue recién después de la Segunda Guerra
Mundial (1945) cuando comenzó el uso de recubrimientos en escala industrial,
utilizando principalmente el método de evaporación en vacío (PVD) que permitía
producir recubrimientos de distinto tipo con propiedades bien definidas.
En forma independiente, a partir de mediados del siglo XX comenzaron las
investigaciones tendientes al desarrollo de reactores de fusión nuclear, basadas en el
confinamiento magnético de plasmas de alta temperatura. Estas actividades dieron
como resultado un gran avance en el conocimiento de la física de plasmas y, como
subproducto, de sus aplicaciones tecnológicas. Así es como a partir de la década de 1960
comenzó la utilización industrial de plasmas en procesos de modificación
superficial. El principal motor de estas aplicaciones fue inicialmente la producción
de circuitos integrados y de diversos elementos de uso en microelectrónica; fue
precisamente la utilización de plasmas en los procesos de fabricación a partir de
1963 la que permitió el rápido crecimiento de la industria electrónica en las
últimas décadas. En 1966, Mattox introdujo el proceso de "ion plaiting", basado en el
uso de un plasma en un método clásico de evaporación, lo que dio lugar a una rápida
incorporación de plasmas a las técnicas PVD, y a las de CVD térmico a partir de 1974,
con resultados altamente positivos en lo que respecta a la calidad y variedad de los
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
20
Marco Teórico CAPITULO I
recubrimientos producidos. Las nuevas técnicas pasaron a denominarse procesos
PVD y CVD "asistidos por plasma" y, en forma breve, PAPVD y PACVD
(Plasma Assisted Physical Vapor Deposition y Plasma Assisted Chemical Vapor
Deposition), respectivamente. También a partir de la década de 1970 se aplicaron
plasmas a procesos modificación superficial por nitruración, bajo el nombre de
nitruración iónica o nitruración asistida por plasma, otro tanto puede decirse para el
proceso de carburización. Al momento, las técnicas de plasma han suplantado en gran
parte a las técnicas convencionales de recubrimiento y modificación superficial y se
prevé que su campo de aplicación industrial crecerá y se diversificará significativamente
en el futuro, complementándose también con otras técnicas de modificación superficial
basadas en láseres, haces iónicos y electrónicos
1.2.3. Efectos del plasma en procesos de deposición PVD y CVD
La técnica clásica de deposición por evaporación en vacío, PVD, tiene
lugar en un alto vacío (~ 10-5 Torr). Los átomos del material evaporado tienen una
longitud de recorrido libre que excede la distancia evaporador-substrato, esto se
denomina “camino libre medio”, por tanto, se propagan en trayectorias rectilíneas
del evaporador hacia la pieza a recubrir. En estas condiciones, el método se adapta
idealmente al recubrimiento de substratos planos pero tiene serias limitaciones
para el recubrimiento de piezas de geometría compleja. En adición, el control de la
estructura del recubrimiento, que determina sus propiedades y comportamiento en
servicio, es también muy ilimitado.
Por su parte, la técnica de CVD térmico opera en un intervalo de presiones
considerablemente mayores, para el cual la longitud de recorrido libre de las
especies gaseosas que darán lugar a la formación del recubrimiento es muy inferior a la
longitud característica del substrato. En estas condiciones, el método tiene una alta
capacidad de cobertura, "throwing power" en la literatura inglesa , de substratos de
geometría compleja. Si bien esta es una ventaja considerable frente al método
PVD, la alta temperatura del substrato requerida para activación de las reacciones
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
21
Marco Teórico CAPITULO I
químicas limita seriamente los materiales que pueden ser recubiertos. En adición,
el método tampoco permite tener un control importante de la estructura del
recubrimiento durante la deposición..
A fin de comprender las ventajas resultantes de incorporar un plasma a las
técnicas indicadas, es necesario definir qué es un plasma y cuales son sus principales
características. Un plasma es una clase particular de gas ionizado. El requisito para que
el gas pueda definirse como un "plasma" es que sus especies con carga eléctrica tengan
un "comportamiento colectivo", en cuyo caso la concentración de cargas positivas es
prácticamente igual a la de cargas negativas y el gas es, por tanto, eléctricamente neutro.
Se entiende por comportamiento colectivo a la capacidad de las cargas libres de
distribuirse espacialmente en caso de producirse una perturbación electrostática en el
gas, de modo de aislar al plasma de dicha perturbación y preservar su condición
de gas neutro. Así, por ejemplo, si se introduce un cuerpo cargado negativamente, se
produce un flujo de iones positivos hacia el cuerpo y un flujo de electrones en dirección
opuesta. Como resultado, se genera una delgada lámina alrededor del mismo con
carga espacial positiva, la que cancela la perturbación y mantiene la neutralidad eléctrica
del plasma. La región de carga espacial se denomina "lámina de plasma", debe tenerse
presente que por el hecho de tener una carga neta positiva, el gas ionizado de la
lámina no satisface la definición de "plasma". Este efecto permite generar un
bombardeo de iones positivos sobre un substrato cuando se asigna al mismo un
potencial negativo con respecto al plasma. La Figura Nº 10 ilustra esquemáticamente
el concepto de una lámina de plasma con carga espacial frente a un electrodo cargado
negativamente respecto al plasma.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
22
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 10, Ilustración conceptual de una lámina de plasma con carga espacial positiva frente a
un electrodo con potencial negativo (Vs) con respecto al potencial del plasma (Vp)
1.2.4. Ventajas y aplicaciones del procesamiento por plasma
Las principales ventajas de las técnicas de procesamiento de materiales por
plasma son:
• Posibilidad de obtener recubrimientos con composición química y estructura
controlada (morfología, estequiometría, tensiones residuales, dureza, etc.) como
resultado del control de las condiciones de deposición durante el proceso.
• Posibilidad de obtener recubrimientos de adherencia superior, como
resultado de procesos de limpieza por bombardeo iónico antes y durante la
deposición; alto grado de reproducibillidad y controlabilidad de los parámetros
del proceso y de las propiedades del recubrimiento.
• Posibilidad de utilizar temperaturas de deposición más bajas que en los
métodos convencionales y, en particular, en relación con CVD térmico, tiempos
de proceso significativamente menores en el caso de endurecimiento
superficial asistido por plasma.
• Posibilidad de depositar una amplia variedad de materiales inorgánicos tales
como metales, aleaciones y compuestos, así como materiales orgánicos.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
23
Marco Teórico CAPITULO I
1.2.5. El proceso de Deposición Química en Fase Vapor Asistida por
Plasma (PACVD)
La clasificación de las técnicas de procesamiento por plasma no es trivial y
existen distintos criterios a tal efecto, lo que puede crear cierto grado de confusión
a quien trata de distinguir las diferencias entre los distintos procesos en uso. Una
primera gran división puede establecerse en base al tipo de plasma utilizado,
según se trate de un plasma a una presión relativamente alta, en el que todas sus
especies (electrones libres, iones positivos, átomos y moléculas neutras) tienen la
misma temperatura, o bien un plasma a baja presión en el que los electrones libres
no están en equilibrio térmico con las especies pesadas. En el primer caso, el
plasma se denomina “térmico” y es característico de los procesos de deposición
por proyección de material, o de corte y soldadura utilizando una antorcha de
plasma. En el segundo caso, se habla de un plasma “fuera de equilibrio” o de
“baja densidad”. Todos los procesos de deposición en vacío utilizan este último
tipo de plasma. [8]
Considerando específicamente los plasmas de baja densidad, puede
establecerse una nueva división, según se trate de técnicas de deposición tipo
PVD (Physical Vapor Deposition) o de tipo CVD (Chemical Vapor Deposition).
Puede establecerse una neta distinción entre estas técnicas considerando la
forma de introducción de las distintas especies de la mezcla gaseosa en el reactor
de plasma. Si alguna de estas especies se produce por evaporación a partir de un
material sólido ubicado dentro del reactor, o bien como resultado del bombardeo
del mismo con iones positivos (sputtering), se habla de técnicas PAPVD. Por el
contrario, si todas las especies se introducen como gases puros o como vapores de
compuestos moleculares que contienen especies propias del recubrimiento a ser
producido, entonces se habla de técnicas PACVD. Ahora bien, existen
subdivisiones dentro de las técnicas PACVD. Pueden distinguirse, por ejemplo,
las subclasificaciones de PACVD directo o remoto, según que todos los
constituyentes de la mezcla gaseosa estén simultáneamente excitados por el
plasma o no, respectivamente. En el PACVD remoto se reduce el calentamiento
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
24
Marco Teórico CAPITULO I
del substrato y es posible un mejor control de la estequiometría del recubrimiento.
Otros criterios para la subclasificaciones se basan en considerar si el proceso se
realiza con o sin bombardeo iónico, o en las diferentes fuentes de generación del
plasma, o bien en el tipo de compuesto utilizados. Por definición todos los
procesos PACVD son reactivos. La figura Nº 11 ilustra esquemáticamente los
principios operativos de un proceso PACVD directo. [8]
Figura Nº 11, Principio operativo del proceso PACVD directo
La deposición química en fase vapor (CVD, Chemical Vapor Deposition)
consiste en la formación de una película sólida sobre alguna superficie a partir de
la reacción de especies (moléculas, átomos, iones, moléculas y átomos excitados,
radicales libres, etc.) en la fase gaseosa. Esta técnica se ha extendido rápidamente
a muchas aplicaciones debido a las facilidades que ofrece con respecto a:
• La síntesis y deposición de materiales con un amplio intervalo de condiciones
estequiométricas que pueden ser ajustadas de un modo preciso.
• La versatilidad para depositar una enorme cantidad de elementos y
compuestos.
• Las bajas temperaturas involucradas, en comparación con aquellas de otros
procesos de deposición.
• La posibilidad de lograr estructuras multicapa y gradientes de concentración
de difícil implementación mediante otras técnicas.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
25
Marco Teórico CAPITULO I
Habitualmente la temperatura necesaria para la síntesis y deposición del
material es proporcionada mediante calentamiento resistivo. Esta ha sido y
continúa siendo la principal característica de los procesos CVD originalmente
utilizados y de amplio uso hasta el día de hoy.
Para una buena parte de los materiales depositados por CVD, las reacciones
en la fase gaseosa y la deposición de la película ocurren a temperaturas lo
suficientemente elevadas como para afectar las propiedades del substrato
(disolución sólida en el substrato de algún elemento del compuesto depositado,
cambios de fase del substrato, punto de fusión del substrato demasiado bajo,
descomposición del substrato, etc.). Las dificultades en el diseño específico de
reactores CVD que posibiliten la operación manteniendo la superficie a recubrir a
bajas temperaturas llevan a la búsqueda de otros medios de proveer energía a la
reacción.
La adición o bien la sustitución de energía eléctrica por energía térmica al
medio de CVD lleva a la disminución de la temperatura necesaria para depositar un
gran número de materiales de importancia económica. De hecho, las técnicas de
plasma CVD (PECVD, Plasma Enhanced CVD, o Plasma Assisted CVD) se
encuentran actualmente entre las técnicas comerciales de mayor aplicación en la
deposición de materiales. Materiales como el nitruro de titanio (TiN), utilizado
como recubrimiento tanto para disminuir el desgaste y aumentar la vida útil de
herramientas de corte, matricería, etc., como contra la corrosión en medios salinos,
cuya temperatura de deposición en CVD térmico esta en el intervalo de 900 a
1100ºC, se depositan habitualmente por PECVD a una temperatura de 500ºC.
En resumen las técnicas de tipo PACVD se basan en la técnica clásica de
CVD térmico, en donde la activación resulta de la alta temperatura del substrato y
de los gases de trabajo, en el caso de PACVD son los electrones libres y
energéticos del plasma los que proveen la energía necesaria de activación, en tanto
que sus especies pesadas permanecen a una temperatura relativamente baja, e
inclusive a temperatura ambiente en ciertos casos.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
26
Marco Teórico CAPITULO I
Las aplicaciones más comunes de esta técnica en la industria se pueden
mencionar a continuación
• Producción de recubrimientos protectores (desgaste, corrosión, erosión,
etc.)
• Producción de recubrimientos de bajo coeficiente de fricción.
• Producción de recubrimientos decorativos (grifería, herrajes, relojería).
• Recubrimientos ópticos (fotocromáticos, conductores eléctricos, filtros
ópticos).
• Recubrimientos de uso en medicina (biocompatibles, para insertos
quirúrgicos).
• Usos varios en microelectrónica (memorias magnéticas, circuitos
integrados).
• Tratamiento de textiles (antimanchas, antiarrugas, efectos decorativos).
• Procesos de endurecimiento superficial (nitruración, carbonitruración).
Entre los materiales que es posible depositar utilizando el proceso de
PACVD, están las películas de diamante. La alta conductividad térmica,
transparencia, resistencia química, dureza y resistencia al desgaste y abrasión, así
como la baja fricción hacen del diamante un material atractivo para muchas
aplicaciones Sus aplicaciones en la producción actual se destinan a maquinarias
textiles, instrumentos de medición, superficies de rodamientos, herramientas de
precisión, superficies autolubricadas, etc. La resistencia a la fluencia obtenida en
estos depósitos suele oscilar entre 3000 y 5000 Kg/mm2.
La deposición de películas de diamante por CVD como recubrimientos
duros sobre herramientas ha sido un aspecto importante de estudio en la última
década. Los recubrimientos de diamante pueden proveer mejor desempeño al
momento de su aplicación. Los materiales más comunes para herramientas son los
aceros rápidos. Recientemente se ha reportado la posibilidad de recubrir
directamente películas de diamante sobre substratos de acero; es bien sabido que
la adherencia de películas de diamante por CVD en substratos de acero es muy
dificultosa, esta deposición se ve obstaculizada tanto por el efecto catalizador del
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
27
Marco Teórico CAPITULO I
hierro en la formación de grafito como la gran solubilidad del carbono del
substrato. El hierro cataliza el crecimiento de las fases de grafito en la interfase
comprometiendo la adhesión del substrato y la película, además, el carbono se
difunde en el substrato a medida que aumenta la temperatura del mismo
cambiando las propiedades mecánicas del substrato. La diferencia del coeficiente
de expansión térmico entre el diamante y el acero produce altos esfuerzos
residuales en la interfaz. Con el fin de solventar los problemas de adherencia debe
añadirse una delgada capa sobre la película de diamante, las funciones de esta
intercapa son: proveer una barrera para la difusión del carbono en el substrato y
viceversa, conferir adherencia entre el substrato y la película de diamante,
disminuir los esfuerzos térmicos inducidos por deformación plástica y ofrecer una
alta densidad de nucleación. Entre los materiales que se han usado están el silicio,
nitruro de titanio, tungsteno, molibdeno y titanio. Incluso con una muy delgada
capa de carburos de elementos como silicio, cromo y titanio se puede evitar la
difusión del carbono en el substrato [9].
Sin embargo, la preparación de las capas intermedias implica complejos,
costosos y múltiples procedimientos, además que la adhesión interfacial del
substrato/intercapa e intercapa/película de diamante tiene que estar garantizada.
Previos estudios sobre la nucleación, el crecimiento y la adherencia de películas
de diamante depositados en varios substratos, particularmente metales de
transición, revelan que el comportamiento de la deposición es afectado no solo
por la composición química del gas precursor y parámetros de deposición, sino
también por la composición química del substrato. Por ejemplo elementos como el
Al y Si se han mostrado beneficiosos para reducir el efecto catalizador de hierro
para formar grafito. [10]
Y.S. Li y A. Hirose [10] reportaron la deposición de una película de
diamante sobre aleaciones de hierro por MWPACVD, los resultados demostraron
que películas de diamante pueden ser depositadas directamente sobre estas
aleaciones, expandiendo esto las aplicaciones prácticas de aleaciones de aceros
con recubrimientos de diamante.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
28
Marco Teórico CAPITULO I
1.3. FATIGA EN EL ACERO
La fractura de materiales de ingeniería es casi siempre un hecho indeseable
por varias razones, las que incluyen, la seguridad de vidas humanas, perdidas
económicas, y la interferencia con la disponibilidad de productos y servicios.
Aún cuando las causas de la fractura y el comportamiento de materiales
pueden ser conocidas, la prevención de fracturas puede ser difícil de garantizar.
Las causas usuales de ello son la selección de materiales, procesado y
diseño inadecuados de los componentes o su mal manejo. Es responsabilidad del
ingeniero anticipar y planificar las posibles fracturas y, en el caso de que ocurran,
determinar sus causas y tomar medidas preventivas apropiadas para futuros
incidentes.
Las típicas clases de fracturas son: Fractura dúctil, fractura frágil,
fractura por fatiga, fractura por creep y fractura debido al fenómeno de corrosión-
tensión.
Una fractura es la separación de un cuerpo en dos o más trozos como
respuesta a una tensión que puede ser estática (constante o variando lentamente
con el tiempo) y a temperaturas que son bajas en relación a la temperatura de
fusión del material. Las tensiones aplicadas pueden ser de tracción, compresión,
de corte o torsionales.
Los tipos de fractura típicos son dúctiles y frágiles. Esta clasificación esta
basada en la capacidad del material a experimentar deformación plástica, con alta
absorción de energía antes de la fractura. Por otro lado, hay una pequeña
deformación plástica y una baja absorción de energía en la fractura frágil. La
ductilidad puede ser cuantificada en términos de elongación porcentual y
reducción de área porcentual, y es función de la temperatura del material, la
velocidad de aplicación de la carga y estado de tensiones. Cualquier proceso de
fractura involucra dos etapas, iniciación de la fisura y su propagación como
respuesta a las tensiones impuestas. El tipo de fractura es altamente dependiente
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
29
Marco Teórico CAPITULO I
de los mecanismos de propagación de la fisura. La fractura dúctil esta
caracterizada por una gran deformación plástica en la vecindad de la punta de
fisura. Además, el proceso se lleva a cabo relativamente lento a medida que la
fisura se extiende. Así se dice que la fisura es estable. Esto significa que se resiste
a cualquier propagación a menos que haya un incremento en las tensiones
aplicadas. Además generalmente se apreciará un incremento muy notable en la
deformación de sus superficies de fractura.
Por otro lado para la fractura frágil, la fisura se puede propagar
extremadamente rápido (300 a 2000 m/s) con muy poca deformación plástica.
Tales fisuras se llaman inestables y su propagación, una vez comenzada,
continuará espontáneamente sin un incremento en las tensiones aplicadas. Se
aclara que también pueden existir inestabilidades dúctiles. La fractura dúctil es
casi preferible por dos razones. Primero, la fractura frágil ocurre repentina y
catastróficamente sin ninguna advertencia, consecuencia de la espontánea y rápida
propagación de la fisura. Por otro lado, en la fractura dúctil la presencia de
deformación plástica da aviso de la fractura será inminente, permitiendo que se
tomen medidas preventivas. La segunda, es que se requiere mayor energía para
inducir la fractura dúctil por lo que los materiales dúctiles son generalmente más
tenaces. Bajo la acción de una tensión de tracción, la mayoría de los metales son
dúctiles, mientras que los cerámicos son notablemente frágiles.
En cuanto a la fatiga, es una forma de fractura que se produce en
estructuras sujetas a tensiones dinámicas y fluctuantes (ej. Puentes, aviones y
componentes de máquinas). Bajo estas circunstancias es posible que la fractura se
produzca a niveles de tensiones considerablemente bajas. El término fatiga es
usado debido a que este tipo de fractura normalmente se produce después de un
período de tensiones repetitivas o cíclicas. Se estima que la fatiga comprende
aproximadamente un 90 % de todas las fracturas metálicas, siendo de tipo
catastrófica y ocurriendo rápidamente sin aviso. La fractura por fatiga es
semejante en naturaleza a la fractura frágil aún en metales normalmente dúctiles
en los que hay muy poca, o ninguna deformación plástica asociada con la fractura.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
30
Marco Teórico CAPITULO I
Se han experimentado muchos ejemplos de fractura por fatiga. Quizá, el
primero realmente apareció en 1829, el famoso cohete de George Stephenson en
Inglaterra. A mediados del siglo XIX la frecuencia de uso de locomotoras se
incrementó y los accidentes de descarrilamiento comenzaron a incrementarse
debido a la rotura de los ejes. Muchos estudios fueron llevados a cabo para
mejorar el diseño de los componentes sometidos a cargas repetitivas. Otro
accidente registrado es el del Commet el cual fue el primer avión de pasajeros
comerciales desarrollado en Inglaterra puesto en servicio en 1952. Al principio
este servicio fue bueno, pero uno de ellos se quebró en el aire en mayo de 1953 y
nuevamente en enero y abril de 1954 sucesivamente. Después de la examinación
del accidente se concluyó que esto se debía a fracturas por fatiga debido a la
presurización de las cabinas. El tercero, es el del Boing 747 SR, JAL vuelo Nº 123
el cual se estrelló en agosto de 1985, en donde 520 pasajeros murieron y 4
pasajeros sobrevivieron milagrosamente. Este accidente es muy importante desde
el punto de vista de ensayos no destructivos, debido a que no se conocía que las
fisuras por fatiga se propagaban en una pared hermética para presurizar, estas
excedieron la longitud de fisura crítica y finalmente el avión se estrelló.
A. Wöhler llevó a cabo experimentos sistemáticos sobre lo así llamado
fatiga durante 1852 y 1870. El introdujo la curva S – N (Tensión – Numero de
Ciclos), llamadas curvas de Wöhler, lo cual representa una de las características
básicas de la fatiga. Estas curvas dan la relación entre la amplitud de las tensiones
cíclicas y un número de ciclos para su rotura, de esto se ampliará un poco mas
adelante.
En resumen, se ha conocido que un metal sometido a esfuerzos fluctuantes
o repetitivos fallará a un esfuerzo mucho menor que el requerido para causar la
fractura, a una simple aplicación de carga. Las fallas ocurren bajo condiciones de
carga dinámica las cuales son llamadas fallas por fatiga, posiblemente se ha
observado que dichas fallas solo ocurren después de un periodo considerable de
servicio. Por mucho tiempo se presumió que la fatiga era debida a la cristalización
del metal, pero esto no podía ser considerado como cierto ya que un material se
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
31
Marco Teórico CAPITULO I
cristaliza desde el momento de la solidificación de la fundición. De hecho, no hay
cambio radical en la estructura de un metal que ha fallado por fatiga, lo cual nos
sirve como pista para entender las razones de las fallas por fatiga. El estudio de la
fatiga ha llegado a ser progresivamente una herramienta base en el desarrollo
tecnológico de equipos y maquinarías como automóviles, compresores, bombas,
turbinas, etc., sujetos a cargas y vibraciones repetidas [11].
De forma que, la fatiga es un proceso de deterioro progresivo que ocurre
en los materiales o componentes sometidos a cargas cíclicas (esfuerzos y
deformaciones fluctuantes) que pueden resultar en grietas o fracturas después de
un número suficiente de fluctuaciones.
El agrietamiento de fatiga normalmente resulta de esfuerzos cíclicos que
están incluso muy por debajo de la resistencia a la fluencia estática del material.
Sin embargo, en fatiga de bajo ciclaje o si el material tiene una apreciable
velocidad de endurecimiento por deformación los esfuerzos pueden estar también
por encima de la resistencia a la fluencia estática del material. Esto es un
problema que afecta a cualquier parte o componente que esté en movimiento.
Los automóviles en marcha, aeroplanos (principalmente las alas) en el aire,
los barcos en alta mar que están sometidos constantemente al oleaje, turbinas bajo
condiciones de temperatura variable (por ejemplo esfuerzos cíclicos térmicos) y
muchos otros ejemplos son situaciones en donde el comportamiento a la fatiga de
un material asume una singular importancia.
Las tensiones cíclicas de las cuales se menciona, pueden ser de naturaleza:
axial (tensión – compresión), flexionales (flexión) o torsionales. En general son
posibles tres modos diferentes de fluctuaciones tensión-tiempo, representados
esquemáticamente en las figura Nº 12, Nº 13 y Nº 14. La figura Nº 12 muestra que
la amplitud es simétrica a un nivel de tensiones promedio cero, por ejemplo,
alternando desde una tensión máxima de tracción (σ max) a una tensión de
compresión (σ min) de igual magnitud; esto se llama ciclo de reversión completo.
Otro tipo llamado ciclo de tensiones repetitivas se ilustra en la figura Nº 13. El
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
32
Marco Teórico CAPITULO I
máximo y el mínimo son asimétricos relativo al nivel de tensiones cero.
Finalmente, el nivel de tensiones puede variar al azar en amplitud y frecuencia
como se ejemplifica en la figura Nº 14. En la figura Nº 13 también se indica que
son varios los parámetros usados para caracterizar los ciclos de tensiones
fluctuantes. La tensión amplitud media σ m esta definida como el promedio de las
tensiones máximas y mínimas en el ciclo y dadas por la ecuación (E.1)
( )max min
2m
σ σσ
+= (E.1)
Además, el intervalo de tensiones, σ r, es sólo la diferencia entre σ max y σ
min de la ecuación (E.2):
max minrσ σ σ= − (E.2)
El esfuerzo alternante σ a es solamente la mitad de este rango de tensiones
y dado por la ecuación (E.3):
( )max min
2a
σ σσ
−= (E.3)
Finalmente la relación de tensiones R es la relación entre la amplitud de
las tensiones mínima y máxima, dada por (E.4):
min
max
R σσ
= (E.4)
Por convención las tensiones de tracción son positivas y las de compresión
son negativas. Por ejemplo para un ciclo de inversión completa, el valor de R es
-1.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
33
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 12, Ciclo de tensión de inversión total
Figura Nº 13, Ciclo de tensión repetitiva
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
34
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 14, Ciclo de tensión al azar
1.3.1. Etapas en el proceso de Fatiga
Las fracturas por fatiga son causadas por la acción simultánea de esfuerzos
cíclicos, esfuerzos de tensión y deformación plástica, si alguno de estos tres
esfuerzos no está presente, el agrietamiento por fatiga no se iniciará y propagará.
El proceso consta de las siguientes etapas:
• Daño inicial de fatiga llevando a la nucleación de la grieta.
• Crecimiento progresivo de una grieta (propagación de grieta) hasta que la
sección transversal remanente sin agrietar se ha reducido sustancialmente
para soportar las cargas impuestas.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
35
Marco Teórico CAPITULO I
1.3.2. Características Fractográficas
La superficie de fractura que resulta de una falla por fatiga tiene una
apariencia característica que puede ser dividida en tres zonas o etapas progresivas
bien definidas desde el punto de vista morfológico.
• Etapa I: Es la iniciación de la grieta y su propagación por el plano de
deslizamiento de la fractura, extendiéndose desde la superficie hacia el
centro aproximadamente 45º de la dirección del esfuerzo axial, en esta
etapa la fractura nunca se extiende por mas de 2 o 5 granos de alrededor
del origen. En cada grano, la superficie de fractura está a lo largo de un
plano cristalográfico bien definido. Usualmente no existen estriaciones de
fatiga asociadas con la superficie de fractura en esta etapa. En algunos
casos, dependiendo del material, el ambiente y el nivel de esfuerzo, la
fractura de la etapa I puede que no sea perceptible [12].
• Etapa II: El crecimiento de la grieta no está gobernado por el esfuerzo
cizallante local sino por el esfuerzo normal máximo principal en la
vecindad de la punta de la grieta. Así, la punta de la grieta esta obligada a
desviarse desde su camino de deslizamiento y propagarse en una dirección
perpendicular a la dirección del máximo esfuerzo normal [12].
• Etapa III: Ocurre durante el último ciclo de esfuerzo cuando la sección
transversal no puede soportar la carga aplicada. La fractura final, la cual es
el resultado de una sobre carga, puede ser frágil, dúctil, o una combinación
de ambas [12].
La vida a la fractura o el número total de ciclos para la fractura, se puede
tomar como la suma de los ciclos requeridos para la iniciación Ni más los de
propagación Np. La contribución de la etapa de fractura final es insignificante ya
que ella se produce muy rápidamente. Las proporciones relativas a la vida total de
Ni y Np, dependen del material en particular y de las condiciones de ensayo. A
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
36
Marco Teórico CAPITULO I
niveles bajos de tensiones (por ejemplo para fatiga de altos ciclos), una gran
fracción de la vida a la fatiga se utiliza en la iniciación de la fisura. Cuando se
incrementan los niveles de tensiones, Ni disminuye y las fisuras se forman más
rápidamente. Así para fatiga de bajo ciclos (alto nivel de tensiones), la etapa de
propagación es predominante (por ejemplo Np > Ni) [12]
Las fisuras asociadas con la fractura por fatiga casi siempre se inician (o
nuclean) sobre la superficie de la pieza en algún punto de concentración de
tensiones. Los sitios de nucleación de fisuras incluyen rayaduras, filetes de
maquinado, rugosidades, filetes, dentados, etc; además las cargas cíclicas pueden
producir discontinuidades superficiales microscópicas (bandas de deslizamiento
persistentes, intrusiones y extrusiones) resultado del deslizamiento de
dislocaciones las cuales también pueden actuar como concentradores de esfuerzos,
y ser iniciadores de fisuras.
Una vez que una fisura estable ha nucleado, comenzará a propagar
inicialmente muy despacio y, en metales policristalinos, a lo largo de planos
cristalinos con altas tensiones de corte. A esto es lo que se le llama etapa I de
propagación como se muestra a continuación en la Figura Nº 15.
Figura Nº 15, Representación esquemática que muestra las etapas I y II de la propagación de
fisuras por fatiga en metales policristalinos
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
37
Marco Teórico CAPITULO I
Esta etapa puede constituir una fracción grande o pequeña del total de la
vida a la fatiga dependiendo del nivel de tensiones y naturaleza de la pieza en
ensayo. Altas tensiones y la presencia de entallas favorece una duración de la
etapa I corta. En la etapa I en metales policristalinos, la fisura se extiende a través
de solo algunos granos. La superficie de fatiga que se forma en esta etapa tiene
una apariencia plana y sin características. La segunda etapa de propagación (Etapa
II) comienza mientras que la velocidad de propagación de la fisura aumente
pronunciadamente. Además, en este punto hay también un cambio en la dirección
de propagación siendo globalmente perpendicular a las tensiones aplicadas (Ver
figura Nº 15). Durante esta etapa de propagación, el crecimiento de la fisura se
produce por un proceso repetitivo de redondeo y afinado de la punta de la fisura,
denominado comúnmente despunte plástico de la grieta, mecanismo que se ilustra
en la Figura Nº 16. Al comienzo del ciclo de tensiones (Carga 0), la punta de la
fisura tiene la forma de una entalla doble (Figura Nº 16 a). A medida que la
tensión de tracción se aplica (Figura Nº 16 b), se produce una deformación
localizada de las puntas de las entallas a lo largo de planos de deslizamiento que
están orientados en un ángulo a 45º relativos al plano de la fisura. Con el
incremento del ancho de la fisura, la punta avanza continuamente por una
deformación por corte, tomando una forma redondeada como se puede observar
en la Figura Nº 16 c. Durante la compresión la dirección de la deformación por
corte se invierte tal cual como se grafica en la Figura Nº 16 d, hasta que, cuando
culmina el ciclo, se ha formado una nueva punta con doble entalla (Figura Nº 16
e). Este proceso se repite con cada ciclo, hasta que se alcance eventualmente algún
tamaño de fisura crítico lo cual precipitará la etapa del final y fracturará
catastróficamente.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
38
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 16, Ilustración esquemática de los mecanismos de formación de fisuras (etapa-II)
a) Carga Cero
b) Carga de tracción pequeña
c) Carga de tracción máxima
d) Carga compresiva pequeña
e) Carga compresiva máxima
f) Carga de tracción pequeña
La región de la superficie de fractura formada en la etapa II de
propagación puede ser caracterizada por tres tipos de marcas llamadas marcas de
playas, estriaciones y marcas radiales. Las primeras indican la posición de la
punta de la fisura en algún momento y aparecen como anillos concéntricos que se
expanden a partir del punto o puntos de playas, son de dimensiones
macroscópicas como se ve en la figura Nº 17, y se pueden observar a simple vista.
Estas pueden ocurrir como resultado de los cambios en la carga o la frecuencia, o
por la oxidación de la superficie de fractura durante períodos de interrupción de la
grieta. Muchas fracturas por fatiga producidas bajo condiciones de crecimiento de
grietas no interrumpidas y sin variaciones de carga no exhiben marcas de playa
[12].
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
39
Marco Teórico CAPITULO I
Por otro lado, las estriaciones de fatiga son de tamaño microscópico y solo
observadas con el análisis de microscopía electrónica de barrido SEM y en
algunos casos son requeridos el uso de replicas fractográficas para su observación.
La figura Nº 18 muestra sus características. Se piensa que cada estriación
representa la distancia de avance del frente de fisura durante un ciclo de carga
simple. El ancho de las estrías depende y se incrementa con el aumento del
intervalo de tensiones. Otro ejemplo de estriación se muestra en la figura Nº 19 en
la cual la amplitud de las tensiones máximas ha cambiado. La apariencia de las
estrías cambia con el cambio de la amplitud de tensiones.
Figura Nº 17, Marcas de Playas y marcas radiales
Figura Nº 18, Estrías
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
40
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 19, Estriaciones de fatiga cuando se cambia la amplitud de tensiones
Se debe enfatizar que aunque las marcas de playa y estrías, que son
características de la superficie de fractura por fatiga, tienen apariencia similar,
ellas son diferentes en cuanto a su origen y tamaño. Puede haber miles de estrías
dentro de una sola marca de playa. Frecuentemente, la causa de la fractura por
fatiga se puede deducir después del examen de la superficie de fractura. La
presencia de marcas de playa y/o estrías sobre la superficie confirma que la causa
ha sido por fatiga, no obstante la ausencia de una o de ambas marcas no excluye a
la fatiga como causa de la fractura. Cuando la fractura se produce rápidamente, no
aparecen marcas de playa y estrías.
1.3.3. Variables que afectan la vida a la fatiga
Los resultados de los estudios de fatiga han mostrado que la vida de un
componente estructural puede relacionarse con la velocidad de crecimiento de la
grieta. La velocidad de propagación de la grieta es una función del nivel de
tensión y de la amplitud de la misma, una de las expresiones más utilizadas es la
de Paris-Edrogan:
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
41
Marco Teórico CAPITULO I
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
42
( )mda A KdN
= Δ (E.5)
Dónde:
• y mA = son constantes para un determinado material
• K = Factor de intensidad de tensiones
• dadN
= Pendiente de la curva de velocidad de crecimiento
El valor de m normalmente está comprendido entre 1 y 6.
max minK K KΔ = − (E.6)
o bien
( )K Y aσ πΔ = Δ (E.7)
Desarrollando estas expresiones a partir de gráficas generadas por ellas
mismas, se puede llegar a la siguiente ecuación:
( ) 02 2
1ca
f mm ma
daNA Y aπ σ
=Δ
∫ m da (E.8)
Dónde:
• fN = Número de ciclos hasta rotura
• Y = Parámetro independiente de la longitud de la grieta
• y mA = Siguen siendo parámetros definidos por el material
• ca = Es la longitud crítica de la grieta
• 0a = Longitud de grieta inicial
ca se puede calcular por:
2I
cK caYσ π
⎛= ⎜⎝ ⎠
⎞⎟ (E.9)
Marco Teórico CAPITULO I
Dónde:
• IK c = Es la tenacidad de fractura de deformaciones planas.
Estas fórmulas fueron generadas por Paul C. Paris en 1961 realizando una
gráfica logarítmica log-log de la velocidad de crecimiento de grieta contra el
factor de intensidad de tensiones mostrando una relación lineal en la gráfica.
Utilizando esta gráfica se pueden realizar predicciones cuantitativas sobre la vida
residual de una probeta dado un tamaño de grieta particular. Se encuentra así el
comienzo de la iniciación o iniciación rápida de grieta.
Son diversos los factores que intervienen en un proceso de rotura por
fatiga a parte de las tensiones aplicadas. Así pues, el diseño, tratamiento
superficial y endurecimiento superficial pueden tener una importancia relativa.
El diseño tiene una influencia grande en la rotura de fatiga. Cualquier
discontinuidad geométrica actúa como concentradora de tensiones y es por donde
puede nuclear la grieta de fatiga. Cuanto más aguda es la discontinuidad, más
severa es la concentración de tensiones. La probabilidad de rotura por fatiga puede
ser reducida evitando estas irregularidades estructurales, o sea, realizando
modificaciones en el diseño, eliminando cambios bruscos en el contorno que
conduzcan a cantos vivos, por ejemplo, exigiendo superficies redondeadas con
radios de curvatura grandes. En cuanto a los tratamientos superficiales se puede
mencionar que en las operaciones de mecanizado, se producen pequeñas rayas y
surcos en la superficie de la pieza por acción del corte. Estas marcas limitan la
vida a la fatiga pues son pequeñas grietas las cuales son mucho más fáciles de
aumentar. Mejorando el acabado superficial mediante pulido aumenta la vida a
fatiga.
Uno de los métodos más efectivos de aumentar el rendimiento es mediante
esfuerzos residuales de compresión dentro de una capa delgada superficial.
Cualquier tensión externa de tracción es parcialmente contrarrestada y reducida en
magnitud por el esfuerzo residual de compresión. El efecto neto es que la
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
43
Marco Teórico CAPITULO I
probabilidad de nucleación de la grieta, y por tanto de rotura por fatiga se reduce.
Esto se puede lograr con el proceso de granallado o perdigonado. Partículas
pequeñas y duras con diámetros del intervalo de 0,1 a 1,0 μm son proyectadas a
altas velocidades sobre la superficie a tratar. La deformación induce tensiones de
compresión.
En cuanto al endurecimiento superficial, es una técnica por la cual se
aumenta tanto la dureza superficial como la vida a fatiga de los aceros aleados.
Esto se lleva a cabo mediante procesos de carburación y nitruración, en los cuales
un componente es expuesto a una atmósfera rica en carbono o en nitrógeno a
temperaturas elevadas. Una capa superficial rica en carbono en nitrógeno es
introducida por difusión atómica a partir de la fase gaseosa. Esta capa es
normalmente de 1μm de profundidad y es más dura que el material del núcleo. La
mejora en las propiedades de fatiga proviene del aumento de dureza dentro de la
capa, así como de las tensiones residuales de compresión que se originan en los
procesos de cementación y nitruración.
En relación a los trabajos previos realizados en el área de fatiga, Mariño y
Ortiz [11] estudiaron el comportamiento a fatiga y fatiga corrosión de un acero
SAE 4140 recubierto con un depósito de Cromo duro. Todas las muestras fueron
recubiertas hasta un espesor de 6μm y los depósitos fueron hechos a partir de una
solución convencional de acido crómico. Para la condición de corrosión-fatiga del
metal base, se produjo una disminución que varió entre 81% y 92% respecto al
material base ensayado al aire. Para la condición de corrosión fatiga del material
recubierto se encontró una disminución de hasta un 90 % respecto al material
recubierto ensayado al aire. El estudio fractográfico en MEB reveló una buena
adherencia del recubrimiento y formación de múltiples inicios de grietas de fatiga,
las cuales, indican que aparentemente el recubrimiento actuó como un
concentrador de esfuerzo alrededor de toda la probeta, incidiendo muy
probablemente en la disminución de la resistencia a la fatiga del material. Christ y
otros[11] se enfocaron en el efecto del esfuerzo medio a altas temperaturas en
condiciones de fatiga de un acero SAE 1045. Como consecuencia de la
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
44
Marco Teórico CAPITULO I
disminución brusca de la amplitud de deformación plástica, un máximo de la vida
cíclica podría ser observado a una temperatura cercana a la de 325 ºC en las
pruebas cuyos esfuerzos medios varían desde - 80 MPa hasta 60 MPa, mostraron
que un esfuerzo medio positivo generalmente aumenta la amplitud de
deformación plástica y reduce el numero de ciclos al cual el material falla, y
viceversa. Oliveira y otros[11] determinaron las propiedades de la corrosión fatiga
de un acero 4340 recubierto de una aleación Colmony 88, aplicada por medio de
un roceador térmico a alta velocidad. La resistencia a la fatiga de un sustrato no
recubierto ensayado en una solución (NaCl) se encontró que es mucho menor que
la resistencia de una ensayado en aire, y si este substrato se recubre con aleación
de Colomoy 88, la resistencia a la corrosión fatiga incrementa satisfactoriamente.
Este y otros estudiaron el comportamiento a fatiga de aceros de bajo carbono se
determinó que la resistencia a la fatiga y el límite de fatiga incrementa a medida
que aumenta el porcentaje de carbono, además se observó la superficie de fractura
de las muestras rotas de fatiga por microscopía electrónica de barrido, se
determinó que el mecanismo de fractura es mixto por coalescencia de cavidades
con presencia de hoyuelos y facetas de clivaje, con presencia de grietas primarias
y secundarias.
El medio puede afectar el comportamiento a fatiga de los materiales. Hay
dos tipos de fatiga por el medio: fatiga térmica y fatiga con corrosión. Para
ampliar un poco más lo que a esta investigación corresponde dentro de los medios
que afecta la vida a la fatiga y específicamente a la fatiga corrosión se tiene lo
siguiente.
1.3.4. Fatiga - Corrosión
Se conoce como fatiga corrosión cuando un material expuesto a un
ambiente corrosivo y a esfuerzos repetidos o fluctuantes llega a fracturar.
Usualmente un ambiente agresivo tiene un efecto de deterioro en la vida a la
fatiga produciendo falla a menores ciclos de esfuerzos del que requeriría para
fallar en un ambiente inerte. La fractura por fatiga en ambiente corrosivo es
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
45
Marco Teórico CAPITULO I
identificada por la presencia de numerosas y pequeñas grietas adyacentes a la
zona de fractura y picaduras en esta superficie.
Es difícil definir la fatiga por corrosión en forma precisa ya que la
corrosión puede tener lugar en cualquier medio oxidante, incluso la fatiga al aire
puede considerarse como fatiga por corrosión y se ha demostrado que la
resistencia a la fatiga de los metales puede ser aumentada disminuyendo la
concentración de oxigeno y/o humedad relativa del aire en la superficie [13].
Los materiales que tienen un límite de fatiga definido cuando se ensayan al
aire y a temperatura ambiente, no muestran tal límite si se ensayan en un ambiente
corrosivo. Los ensayos de fatiga en ambiente corrosivo son afectados por la
velocidad de ensayo ya que el ataque corrosivo es un fenómeno que depende del
tiempo, entonces a mayor velocidad de ensayo menor será el deterioro producido
por corrosión. Esto no ocurre en los ensayos de fatiga al aire en un intervalo de
velocidad aproximadamente de 1000 a 12000 ciclos/min.
Recientemente, Puchi y colaboradores[14], estudiaron el comportamiento a
la Fatiga de un Acero AISI 4340 en condiciones de templado y revenido
recubierto con una película cerámica de Carbonitruro de Titanio. Estos autores
trabajaron con depósitos de aproximadamente 4μm de espesor y la técnica
utilizada para la síntesis de la película fue PAPVD. Se realizaron ensayos de
fatiga en flexión rotativa tanto al aire como en ambiente corrosivo, utilizando para
ello una solución al 3% de NaCl. Comparando los sistemas substrato
recubrimiento con los substratos originales, de encontraron incrementos
importantes en el orden de 140 a 180% para valores de esfuerzos alternantes de
500 y 700MPa respectivamente, mientras que para los ensayos en ambientes
corrosivos el incremento observado fue de alrededor de 25% asociado a un
esfuerzo alternante de 570MPa. Este comportamiento de acuerdo a lo propuesto
por los autores, sugiere que en principio la película afecta positivamente el
numero de ciclos a falla por fatiga, bien sea impidiendo que la grieta se nuclee o
interviniendo en la tasa de crecimiento de ésta, sin embargo en condiciones de
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
46
Marco Teórico CAPITULO I
ambientes agresivos al parecer el carbonitruro de titanio no presenta un
comportamiento óptimo cuando este se combina con sistemas dinámicos de carga.
Finalmente podemos destacar que de acuerdo a los estudios fractográficos
realizados en especímenes representativos de cada nivel de esfuerzos se evidencia
el hecho de que las grietas de fatiga se nuclean en la superficie libre de la película,
se propagan a través de esta y posteriormente son transferidas al substrato; otro
aspecto interesante es la multiplicidad observada en los eventos de nucleación,
este comportamiento podría estar asociado a la presencia de poros superficiales no
conexos que podrían estar actuando como concentradores de esfuerzos, de manera
de modificar localmente el esfuerzo alternante y por ende fungir como sitios
potenciales para la nucleación de las grietas de fatiga.
1.3.5. Curvas S-N o curvas de Wöhler
Las propiedades de la fatiga de los materiales pueden ser determinadas a
partir de ensayos de simulación en el laboratorio. El equipo de ensayo debería ser
diseñado para duplicar tanto como sea posible, las condiciones de servicio (nivel
de tensiones, frecuencia de tiempo, patrón de tensiones, etc.). Las series de
ensayos se comienzan sometiendo a la pieza a ensayar a tensiones cíclicas con una
amplitud de las tensiones máxima relativamente altas, usualmente en el orden de
dos tercios de la tensión de tracción estática, contándose el número de ciclos a la
rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas disminuyendo
progresivamente la amplitud de las tensiones máximas. Se grafican los datos
como tensión versus el logaritmo del número de ciclos a la rotura para cada una
de las probetas; estas curvas son llamadas Curvas S-N o curvas de Wöhler. Los
valores de S se toman normalmente como amplitud de tensiones.
Los dos tipos de comportamientos observados en la relación S – N, son
representados en las Figuras Nº 20 y Figura Nº 21:
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
47
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 20, Curva S – N en donde el material muestra un límite a la fatiga
Figura Nº 21, Curva S – N en donde el material no muestra un límite a la fatiga
En estos gráficos se indican las magnitudes de tensiones más altas, y el
menor número de ciclos que el material es capaz de soportar antes de su fractura.
Para algunas aleaciones ferrosas y de titanio, las curvas de Wöhler mostrada en la
figura Nº 20 se hace horizontal para altos valores de N, o hay un límite de nivel de
tensiones, llamado límite de fatiga (Se), debajo del cual la fractura por fatiga no
ocurre. Este límite de fatiga representa el mayor valor de tensiones fluctuantes que
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
48
Marco Teórico CAPITULO I
no causará fractura para teóricamente un número infinito de ciclos. Para muchos
aceros, los límites de fatiga están entre 35% y 60 % de la resistencia a la fluencia.
La mayoría de las aleaciones no ferrosas (por ejemplo el aluminio, cobre,
magnesio) no presentan un límite de fatiga, la curva S – N continúa su tendencia
descendente a grandes valores de N como se muestra en la Figura Nº 21. Acá se
producirá indefinidamente la fractura por fatiga sin considerar la magnitud de las
tensiones. Para estos materiales se especifica la resistencia a la fatiga, la cual esta
definida como el nivel de tensiones que producirá fractura en algún determinado
número de ciclos (por ejemplo 107 ciclos.
Otro parámetro importante que caracteriza el comportamiento a la fatiga
de los materiales es la vida a la fatiga N, definido como el número de ciclos para
causar fractura a un nivel especificado de tensiones, como también se indica en la
Figura Nº 21. Desafortunadamente existe una dispersión considerable en los datos
de fatiga, esto es, una variación en los valores medidos de N para un número de
probetas ensayadas en los mismos niveles de tensiones. Esto puede guiar a
incertidumbres en el diseño cuando se consideran vida a la fatiga y / o límite de
fatiga. La dispersión de los resultados es consecuencia de la sensibilidad de la
fatiga al número de ensayos y parámetros incluyen fabricación de la pieza de
ensayo, preparación de la superficie, variables metalúrgicas, alineación de las
probetas en el equipo de ensayo, tensiones a las que esta sujeta, y frecuencia del
ensayo. Se han desarrollado algunas técnicas estadísticas usadas específicamente
en la vida a la fatiga y límite de fatiga en términos de probabilidades.
El comportamiento a la fatiga representado en la Figura Nº 20 y Figura Nº
21 se puede clasificar dentro de dos dominios. Uno esta asociado con cargas
relativamente altas que producen no sólo deformación elástica sino también
deformación plástica durante cada ciclo. Consecuentemente, las vidas a la fatiga
son relativamente cortas; este dominio es llamado fatiga de bajos ciclos y se
produce a valores menores que 104 105 ciclos. Para niveles de tensiones menores
en las cuales sólo hay deformación totalmente elásticas, se obtienen vidas más
prolongadas. Esto se llama fatiga de altos ciclos en los cuales se requiere mayor
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
49
Marco Teórico CAPITULO I
número de ciclos para que se produzca la fatiga. La fatiga de altos ciclos esta
asociada con vida a la fatiga mayor a 104 o 105 ciclos.
En resumen el comportamiento de la fatiga de los materiales se estudia
sometiendo las probetas con dimensiones estándar a diferentes niveles de
esfuerzos menores al de fractura hasta que estas fallen, los resultados de estos
ensayos son dibujados en una gráfica de la amplitud del esfuerzo (S) versus el
número de ciclos (N), comúnmente para el número de ciclos se utiliza una escala
logarítmica, esta gráfica es llamada Curva S-N o curva de Wöhler. Tres curvas S-
N típicas se muestran en la Figura Nº 22, las dos curvas para el acero 2340 son
típicas de un acero cualquiera. Entonces en definitiva, la mayoría de los metales
no férreos, no tiene límite a la fatiga, sus curvas S-N continúan decreciendo con
una pendiente suave hacia altos números de ciclos, tal comportamiento se observa
en la figura Nº 22 para una aleación de aluminio. Para estos materiales, la
respuesta a fatiga se especifica mediante la resistencia a la fatiga.
Figura Nº 22,Típica Curva S-N
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
50
Marco Teórico CAPITULO I
1.3.6. Distribución de frecuencia de Weibull
La prevención de pérdidas o seguridad industrial aplicada con rigor
científico está basada, en gran parte, en la aplicación de los métodos
probabilísticos a los problemas de falla en los procesos industriales. Todo ello se
ha llevado a cabo a través de una disciplina denominada ingeniería de fiabilidad,
para la cual se disponen de las adecuadas técnicas de predicción, que han sido
fundamentales para el aseguramiento de la calidad de productos y procesos. La
distribución de Weibull complementa a la distribución exponencial y a la normal,
que son casos particulares de aquella, como veremos. A causa de su mayor
complejidad sólo se usa cuando se sabe de antemano que una de ellas es la que
mejor describe la distribución de fallas o cuando se han producido muchas fallas y
los tiempos correspondientes no se ajustan a una distribución más simple. En
general es de gran aplicación en el campo de la mecánica, puede ser usada como
un modelo de fallas causadas por procesos de degradación tales como fatiga,
corrosión, difusión y abrasión mecánica como fallas de cojinetes y mecanismos
trasmisores de potencia. Se utiliza también en muchas otras aplicaciones, como la
previsión meteorológica y la instalación de datos de todo tipo.
La distribución de Weibull nos permite estudiar cuál es la distribución de
fallas de un componente clave de seguridad que pretendemos controlar y que a
través de nuestro registro de fallas observamos que éstos varían a lo largo del
tiempo, y dentro de lo que se considera tiempo normal de uso. El método no
determina cuáles son las variables que influyen en la tasa de fallas pero al menos
facilitará la identificación de aquellas y su consideración, aparte de disponer de
una herramienta de predicción de comportamientos.
En la distribución de frecuencia de Weibull demostró que el esfuerzo al
que se someten los materiales puede modelarse de manera adecuada mediante el
empleo de esta distribución. También se ha usado para modelar situaciones del
tipo tiempo- falla, ó bien puede indicar la vida útil y confiabilidad de un
componente; es por esto que la distribución de Weibull es una de las más
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
51
Marco Teórico CAPITULO I
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52
utilizadas en la ingeniería de confiabilidad, debido a su capacidad de cambiar de
forma dependiendo de la variación del valor del parámetro de forma β, ésta puede
modelar una gran variedad de datos y características de vida.
1.3.6.1 Características generales de la Distribución de Weibull
Sabemos que la tasa de fallas se puede escribir, en función de la fiabilidad,
de la siguiente forma:
( )( )
( )
d R tdtt
R tλ
⎡ ⎤⎣ ⎦
= (E.10)
ó ( ) ( )t dtR t e
λ−∫=
siendo:
• ( )tλ = Tasa de fallas
• ( )R t = Fiabilidad
• t = Tiempo. Ciclos de falla para el estudio de fatiga
En 1951 Weibull propuso que la expresión empírica más simple que podía
representar una gran variedad de datos reales podía obtenerse escribiendo:
( ) tt dtβδλ
α−⎛= ⎜
⎝ ⎠∫ ⎞⎟ (E.11)
por lo que la fiabilidad será:
( )t
R t eβδ
α−⎛ ⎞−⎜ ⎟
⎝ ⎠= (E.12)
Siendo:
• δ = parámetro inicial de localización, el cual se utiliza para desplazar
una distribución hacia un lado u otro. Esto significa que, dada una
Marco Teórico CAPITULO I
distribución cuyo dominio habitual sea [0, +∞), la inclusión de un
parámetro de δ localización cambiará el dominio a [δ, +∞), este
parámetro define el punto de partida u origen de la distribución.
• α = parámetro de escala o vida característica, Este es el parámetro
que caracteriza a las distribuciones unipararamétricas. El parámetro
de escala define cuán dispersa se encuentra la distribución
• β = parámetro de forma o pendiente de Weibull. Este parámetro
define la forma de la distribución, y representa la pendiente de la
recta de F(t) vs t, describiendo el grado de variación de la tasa de
fallas.
Se ha podido demostrar que gran cantidad de representaciones de
fiabilidades reales pueden ser obtenidas a través de ésta ecuación, que como se
mostrará, es de muy fácil aplicación. La distribución de Weibull se representa
normalmente por la función acumulativa de distribución de fallas F (t):
( ) 1t
F t eβδ
α−⎛ ⎞−⎜ ⎟
⎝ ⎠= − (E.13)
Ahora bien, definiendo la función densidad de probabilidad como la
derivada de la función acumulativa de fallas ( )F t , se tiene que
( )1 ttf t e
ββ δαβ δ
α α
− −⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠−⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠ (E.14)
En consecuencia la tasa de fallas para esta distribución es:
( )1tt
ββ δλα α
−−⎛ ⎞= ⎜ ⎟⎝ ⎠
(E.15)
Las variaciones de la densidad de probabilidad, tasa de fallas y función
acumulativa de fallos en función del tiempo para los distintos valores de ß, están
representados gráficamente en la Figura Nº 23.
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53
Marco Teórico CAPITULO I
Es importante destacar que en función de las combinaciones de los
parámetros de Weibull se pueden dar mecanismos de fallas particulares como son:
a) δ = 0: el mecanismo no tiene una duración de fiabilidad intrínseca
b) δ > 0: El mecanismo es intrínsecamente fiable desde el momento en que fue
puesto en servicio hasta que t = t0
c) δ < 0. Indica que el mecanismo fue utilizado o tuvo fallos antes de iniciar la
toma de datos
Figura Nº 23 Variación de la densidad de probabilidad f (t), tasa de fallas l (t) y la función acumulativa de fallas F(t) en función del tiempo para distintos valores del parámetro de forma ß
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54
Marco Teórico CAPITULO I
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
55
1.3.6.2 Análisis de Weibull
Uno de los problemas fundamentales de la distribución de Weibull es la
evaluación de los parámetros (δ , α , β ) de esta distribución. Raif Sakin, Irfan
Ay [15] estudiaron el comportamiento a la fatiga sometida a flexión de dos
compuestos de fibra de vidrio reforzado con un recubrimiento de poliéster, para
siete niveles de esfuerzo diferentes y a ocho muestras distintas según la densidad
de la fibra de vidrio, estos utilizaron la distribución de Weibull de dos parámetros
para el análisis de la vida a la fatiga, su función de probabilidad de fallas (pdf) se
muestra en la (E.16)
( )1 TTf t e
ββαβ
α α
− ⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞= ⎜ ⎟
⎝ ⎠ (E.16)
Si la ecuación pdf es integrada, se convierte en la función de densidad
acumulativa (cdf) en la (E.17), las ecuaciones (E.18), (E.19) y (E.20) se derivan de
la (E.17)
( ) 1t
F t eβ
α⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠= − (E.17)
( )1t
F t eβ
α⎛ ⎞−⎜ ⎟⎝ ⎠− = (E.18)
( ) ( )1R t F t= − (E.19)
1t tR F= − (E.20)
Donde tR es la probabilidad de vida y es la probabilidad de falla tF
Si a la ecuación (E.13) le aplicamos logaritmo natural se obtiene la
ecuación (E.21)
( ) ( )1ln ln ln ln1 ( )
tF t
β β α⎛ ⎞⎛ ⎞
= −⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠⎝ ⎠ (E.21)
Cuando la ecuación (E.21) es reacomodada como un ecuación lineal
Y mx c= + (E.22)
Marco Teórico CAPITULO I
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56
Donde
1ln ln1 ( )
YF t
⎛ ⎞⎛= ⎜ ⎜ −⎝ ⎠⎝ ⎠
⎞⎟⎟ (E.23)
m β= (E.24)
( )lnc β α= − (E.25)
También se definen otras variables de la distribución de Weibull, las
cuales son la vida media (Tiempo medio de falla = MTTF = N0), desviación
estándar (SD) y coeficiente de variación (CV), estas se muestran en las siguientes
ecuaciones:
011MTTF N αβ
⎛= = ⋅Γ +⎜
⎝ ⎠
⎞⎟ (E.26)
221 1SD α 1β β
⎛ ⎞ ⎛= ⋅ Γ + −Γ +⎜ ⎟ ⎜
⎝ ⎠ ⎝
⎞⎟⎠
(E.27)
2
0
2 11 1
11
SDCVN
αβ β
αβ
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⋅ Γ + −Γ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟
⎝ ⎠ ⎝= =⎛ ⎞
⋅Γ +⎜ ⎟⎝ ⎠
⎠
dt
(E.28)
Donde Γ es la función gamma viene dada por la ecuación E.29
( ) 1
0
x tx t e∞ − −Γ = ∫ (E.29)
El proceso que se lleva a cabo para graficar las líneas de Weibull y obtener
sus parámetros es el siguiente:
1) El número de ciclos de fallas correspondiente a cada esfuerzo se coloca
sucesivamente en una lista
2) Un número de orden es dado para cada valor ( i=1,2,3,4…,n)
3) Para cada valor, se calcula la probabilidad de falla usando la formula de
intervalos medios de Bernard´s (E.14)
Marco Teórico CAPITULO I
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57
0.30.4
iMRn−
=+
(E.30)
Donde i es el número de orden de falla y n es el número total de muestras
4) Se calcula el valor de 1ln ln1 MR
⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠⎝ ⎠
.
5) Se calcula el logaritmo de los ciclos para cada valor.
6) Luego se grafican 1ln ln1 MR
⎛ ⎞⎞⎟⎟−
versus el logaritmo de los ciclos. Esta
se observa en la Figura Nº 24 donde se obtiene la línea de tendencia de los
puntos que corresponden a cada nivel de esfuerzo para un grupo en
particular de muestras.
⎛⎜⎜ ⎝ ⎠⎝ ⎠
7) Los valores de β y c se han obtenido por la aplicación de la regresión
lineal (Método de mínimos cuadrados). El parámetro α se obtiene por
ecuación (E.25), estos resultados de estos parámetros para dos niveles de
esfuerzos se muestran en la tabla Nº 3.
8) La vida media a la fatiga correspondiente a cada esfuerzo, este se puede
observar en la tabla Nº 4 para un grupo particular de muestras.
Figura Nº 24, Líneas de Weibull para un grupo de muestras
Marco Teórico CAPITULO I
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58
Tabla Nº 3, Tabla de resultados para dos niveles de esfuerzo
Tabla Nº 4. Parámetros de Weibull acorde con los resultados experimentales de las muestras
Las curvas de Wöhler obtenidas para cada diferente grupo de muestras, se
observa en la Figura Nº 25, para trazarla se uso la ecuación de basquin, la cual es
la siguiente
( )b
aS a N= ⋅ f (E.31)
En donde
aS es la amplitud de el esfuerzo
fN es el número de ciclos (vida a la fatiga)
a y b son constantes del material
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 25, Curvas S-N de Wöhler para ocho diferentes muestras
Los gráficos de probabilidad de vida correspondiente a cada valor de
esfuerzo de las muestras se observa en la Figura Nº 27, este gráfico fue trazado
usando las ecuaciones (E.18) y (E.19). La probabilidad de vida de las muestras
para cada nivel de esfuerzos se puede determinar intersectando una línea
horizontal en el eje Y, por lo tanto si se quiere trazar las curvas S-N a un nivel de
probabilidad deseado estas curvas deben trazarse tomando en cuenta el número de
ciclos de cada esfuerzo correspondiente a la probabilidad deseada . Estas curvas a
diferentes niveles de probabilidad se pueden observar en la Figura Nº 26.
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59
Marco Teórico CAPITULO I
Figura Nº 26, Curvas S-N para los diferentes niveles de probabilidad de las muestras del grupo A
Figura Nº 27, Gráfico de fiabilidad para las muestras
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
60
Marco Teórico CAPITULO I
Como resultado se obtuvo que las curvas S-N obtenidas para los
especímenes del grupo A (Figura Nº 25) está muy cerca de las curvas obtenidas a
un 50% de probabilidad de vida (Figura Nº 26) por lo tanto la curva obtenida con
la vida media a la fatiga puede ser aceptada como un análisis a un 50% de
probabilidad de vida[15].
Se ha desarrollado una cantidad importante de softwares los cuales
realizan el estudio completo de la distribución de Weibull, entre los más
importantes se encuentra el software Weibull ++, el cual es una herramienta
poderosa al momento de analizar datos de vida ideado por la empresa Relia Soft
Corporation. Entre otros programas en los cuales es posible realizar el análisis de
datos de vida se encuentra el llamado ALTA entre muchos otros.
1.3.7. Resistencia a la fatiga
A partir de los trabajos de Wöhler con rieles de trenes sujetos a flexión
rotativa, los datos de fatiga habían sido presentados en una curva S-Log (N);
donde S representa la amplitud de esfuerzo y N el número de ciclos a falla.
Basquin mostró que la curva S-Log(N) puede ser linealizada utilizando todos los
ejes coordenados en escala logarítmica [16]. La amplitud de esfuerzo puede ser
descrita como la resistencia o vida a la fatiga por la siguiente relación:
( )ba fS S N= (E.32)
aS = Amplitud de esfuerzo
N = Número de ciclos a falla
fS = Coeficiente de resistencia a fatiga
b = Exponente de resistencia a fatiga (exponente de basquin)
Los parámetros fS y b son propiedades de fatiga del metal; fS es
aproximadamente igual al esfuerzo de fractura para muchos metales [24].
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61
Marco Teórico CAPITULO I
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
62
Por otra parte estudios realizados por Weibull [17] demostraron que la
curva de Wöhler puede ser linealizada por la ecuación E.33, donde se representa
el límite a la fatiga del material.
( aeN b S S= − ) (E.33)
Donde
S = Amplitud de esfuerzo
N = Número de ciclos a falla
Se = Límite a la Fatiga del material
Los parámetros a y b son propiedades de fatiga del material.
Metodología Experimental CAPITULO II
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63
CAPITULO II
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
2.1 DIAGRAMA EXPERIMENTAL
Metodología Experimental CAPITULO II
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64
2.2 MATERIAL BASE
En el presente estudio, el material utilizado para la fabricación de las probetas
fue un Acero del tipo AISI 4340 bonificado (templado y revenido), recibido en barras
cilíndricas de 1 pulgada de diámetro y 8 metros de largo, en cuanto a su composición
química se muestra en la tabla Nº 5.
Tabla Nº 5. Composición química del acero AISI 4340 en % en peso
C Si Mn P S Cr 0.41 0.24 0.69 0.024 0.011 0.79
2.3 MAQUINADO Y PEPARACIÓN DE LAS PROBETAS
El maquinado de las probetas de fatiga y tracción se realizó en tornos, según la
norma ASTM E-606 [20] y ASTM A-370 [18] respectivamente, tal como se muestra en las
figuras Nº 28 y Nº 29. Una vez fabricadas las probetas se procedió a dar el acabado
superficial por medio del lijado y pulido de la sección calibrada de las probetas de
fatiga, el cual fue realizado en un torno a baja velocidad, en dirección longitudinal en
relación al eje de la probeta, bajando el gramaje de las lijas progresivamente desde 300
hasta llegar a 2000.
De esta forma, se evita la presencia de entallas circunferenciales las cuales
podrían ser la fuente de inicio de grietas de fatiga. En cuanto a las probetas de tracción,
estas fueron lijadas y pulidas de la misma forma que las probetas de fatiga, de tal forma
de obtener la misma rugosidad superficial.
En lo referente a las dimensiones de la sección de ensayo de las probetas de
fatiga de radio continuo, estos son comúnmente los siguientes: diámetro menor de la
sección de ensayo igual a 6,35 mm, radio continuo de la sección de ensayo de la probeta
R igual a 58,74 mm.
Metodología Experimental CAPITULO II
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
65
Figura Nº 28, Esquema de las probetas para ensayos de fatiga en flexión rotativa según la norma ASTM
E 606
En cuanto a las probetas para el ensayo de tracción, poseen un diámetro en la
zona de ensayo de 6,35 mm a lo largo de una sección reducida cilindrada de 32 mm de
longitud o también llamada longitud l0, el cual luego de haber fracturado en el ensayo se
unen ambas partes de la probeta y así obtener la longitud final o L como veremos mas
adelante; las dimensiones de la probeta se muestran a continuación en la figura Nº 29.
Figura Nº 29, Esquema de las probetas para ensayos de tracción según la norma ASTM-A-370
2.4 DEPOSICIÓN DEL RECUBRIMIENTO
La deposición de los recubrimientos de diamante sintético se realizó a través del
método PACVD (Plasm Assisted Chemical Vapour Deposition- Deposición Química en
fase de Vapor Asistida por Plasma) realizadas por la empresa Balzers Estados Unidos, y
es una de las técnicas más utilizadas en la generación de recubrimientos finos.
Metodología Experimental CAPITULO II
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
66
El recubrimiento utilizado es el diamante Policristalino Sintético, es un
recubrimiento cuya elevada dureza y estabilidad térmica son las propiedades mas
sobresalientes. Su extraordinaria resistencia al uso y prolongada vida útil permiten
maquinar totalmente piezas de trabajo complejas con una única herramienta. Incluso los
materiales de elevado nivel abrasivo, tales como los plásticos reforzados con fibra,
materiales compuestos y grafito pueden maquinarse el Diamante Policristalino
Sintético. A continuación se muestra la tabla Nº 6 con algunas de las propiedades de
este recubrimiento. Tabla Nº 6, Propiedades del Diamante Policristalino Sintético
Microdureza (HV 0.05) 3000 - 9000
Coeficiente de fricción contra acero (seco) 0.15 - 0.20
Temperatura máxima de servicio (ºC) 600
Color del recubrimiento Gris
En la tabla Nº 7 se indica el número de probetas fabricadas para la realización de
la investigación.
Tabla Nº 7, Especificación de la cantidad y tipo de probetas utilizadas con sus respectivas normas
Probetas Condición Cantidad Norma ASTM
Dureza Con y sin recubrimiento 2 ASTM E-384
Sin recubrimiento 3 Tracción
Recubiertas con Diamante 3 ASTM A-370
AISI 4340 24 Aire
AISI 4340 + Diamante 24
Sol. 3% AISI 4340 24 Fatiga
NaCl AISI 4340 + Diamante 24
E-606 E-739 E-468
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67
2.5 CARACTERIZACIÓN DEL CONJUNTO
2.5.1. Metalografía del Substrato
La metalografía consiste en el estudio de la constitución y la estructura de los
metales y las aleaciones. La forma más sencilla de hacerlo es examinando las
superficies metálicas a simple vista, pudiendo determinar de esta forma las
características microscópicas. Este examen se denomina macrográfico y de ellos se
extraen datos sobre los tratamientos mecánicos sufridos por el material, es decir poder
determinar si el material fue trefilado, laminado, forjado, etc., además de comprobar la
distribución de defectos como grietas superficiales, de forja, rechupes, partes soldadas,
etc. Existen diversos métodos de ataque, pero el más utilizado es el de tipo químico. El
ataque químico puede hacerse de dos maneras, una, sumergiendo la muestra con cara
pulida hacia arriba en un reactivo adecuado, y la otra, pasando sobre la cara pulida de la
muestra un algodón embebido en dicho reactivo. Posteriormente se lava la probeta con
abundante agua, se enjuaga con alcohol o éter y se seca en corriente de aire [12].
Para el material base o substrato, así como también el conjunto substrato-
recubrimiento, se cortaron muestras de forma longitudinal y transversal como se
muestra en la figura Nº 30 con una sierra de disco de diamante para el corte transversal
y una sierra de disco abrasivo marca Buehler modelo Abrasimet 2 para el corte
longitudinal. Luego se procedió al montaje de las mismas, ya que las muestras son muy
pequeñas para manejarlas con la mano, para esto se utilizó una prensa de montaje marca
Buehler modelo Sampliment 3 que se muestra en la parte superior de la figura Nº 31.
Las muestras se colocaron junto con polvo transoptic a una temperatura de 160 ºC y una
presión de 4400 psi durante 8 minutos con precarga, luego de esto fueron desbastadas
para eliminar cualquier tipo de marca dejada por la sierra con una lija de grano grueso y
pulidas en un esmeril de banco húmedo marca Buehler modelo ECOMET 5 con lijas de
grano mas fino cada vez hasta lograr el pulido tipo espejo. Posteriormente se realizó el
ataque para poner en evidencia la estructura del acero, las muestras fueron impregnadas
de un reactivo químico denominado Nital, comúnmente utilizado para atacar aceros; el
mismo esta constituido en 2% de acido nítrico en alcohol etílico. Para su aplicación, el
nital se vierte en un vidrio de reloj y la muestra (lavada y secada previamente) se frota
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con un algodón impregnado en dicho reactivo durante alrededor de 15 seg para que el
ataque químico sea exitoso y funcional. Inmediatamente después se lava la muestra con
abundante agua, se enjuaga con alcohol y se seca mediante un golpe de aire. Luego de
esto, se procedió a la observación y obtención de las imágenes de la microestructura de
las muestras mediante el equipo de microscopía óptica, el cual se muestra en la parte
inferior de la figura Nº 31. Se debe evitar el sobreataque, dado que la superficie se
puede manchar y tapar la estructura o producirse manchas de corrosión.
Figura Nº 30, Equipo utilizado para cortar las probetas, trasversales y longitudinales
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FiguraNº 31, Equipo utilizado para realizar el montaje de las probetas para la metalografía y la
microscopía óptica
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70
2.5.2. Ensayos de Indentación
Las diversas técnicas de indentación permiten obtener información relacionada
con las propiedades mecánicas de una superficie dada. Para la caracterización de las
muestras se seleccionó el ensayo de microindentación Vickers, realizado en el
microdurómetro marca LECO modelo M-400-H, ubicado en el Laboratorio Nuevos
Materiales de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad Central de
Venezuela (Figura Nº 32), variando las cargas desde 50 hasta 500 gr. pasando por 100,
200 y 300 gr., bajo la norma ASTM E- 384 [19].
Las muestras se prepararon de igual manera que en el estudio metalográfico y se
tomaron en cuenta las probetas seccionadas transversalmente. La muestras se colocaron
en la mordaza del porta probeta, sobre la plataforma motorizada del microdurómetro,
luego de esto se ajusto la carga deseada, así como el número de indentaciones que se
desea realizar, y la distancia entre estas; en el caso particular de este estudio de dureza
Vickers, se hicieron 4 medidas por cada carga a una distancia de 150 μm entra cada
indentación como se muestra a continuación en la figura Nº 32.
El objetivo principal de la realización de esta prueba fue obtener valores
comparativos de microdureza entre las distintas condiciones; inicialmente se determinó la
microdureza del substrato sin recubrimiento, posteriormente, se determinó la
microdureza del substrato, a las que se les aplicó el recubrimiento de diamante sintético, y
de esta manera estimar de manera cuantitativa las posibles alteraciones superficiales,
producto del proceso de deposición.
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71
Figura Nº 32, Equipo para el ensayo de microdureza vickers
2.5.3. Determinación del espesor del recubrimiento calotest
El espesor del recubrimiento se determinó de manera alternativa con la ayuda de
un equipo CALOTEST marca CSEM. En este método, el espécimen se coloca sobre
una base inclinada, ajustando las mordazas para garantizar su inamovilidad. Luego se
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pone en contacto con la superficie recubierta, una esfera de acero con un diámetro de 30
mm, la cual a su vez reposa sobre un eje cilíndrico acoplado a un motor eléctrico que
tiene la finalidad de suministrar el movimiento al conjunto. Se utiliza una suspensión
abrasiva de diamante de 0,5 μm la cual actúa en el contacto esfera y superficie recubierta
durante el ensayo. El eje transfiere movimiento a la esfera y esta se desliza sobre la
superficie del recubrimiento, ocasionando un desgaste en el mismo. Una vez que han
transcurrido 30 segundos, el desgaste ha consumido una porción del recubrimiento
dejando expuesto el substrato, generando así una huella como la mostrada en la figura Nº
33.
Tal como se muestra en la figura Nº 33, al analizar la huella a un aumento
adecuado, se logran identificar los diámetros de los dos círculos concéntricos.
Justamente, estos diámetros, tanto el externo en la superficie del recubrimiento (Dcr )
como el interno en el substrato (Dcs ), son los que se emplean para hacer la estimación
del espesor del recubrimiento (Er:) a partir de la ecuación. E.34, donde Rb es el radio de la
esfera de acero utilizada en el ensayo.
( )2 2 21 4 42r b cs bE R D R D= − − − 2
cr (E.34)
En la presente investigación se hizo un ensayo. Con ayuda de un sistema de
análisis de imágenes se determinaron los valores de los diámetros que intervienen en la
ecuación anterior, los cuales fueron el resultado de un promedio de 15 mediciones
realizadas en cada uno.
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Figura Nº 33, Ensayo Calotest, para determinar el espesor del recubrimiento
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2.6 ENSAYOS DE TRACCIÓN
Los ensayos de tracción fueron realizados en una máquina INSTRON modelo
8502 (figura Nº 34), los cuales son controlados por medio de una computadora,
empleando para ello un programa de ensayo de materiales en el cual utiliza una
velocidad de desplazamiento de la mordaza móvil (actuador) de 3 mm/min y los datos
tanto de alargamiento como de carga aplicada serán registrados en la misma
computadora a una frecuencia de 3 s -1.
Figura Nº 34, Máquina de Ensayo de tracción INSTRON modelo 8502
Subsecuentemente, se realizó una corrección a los datos de alargamiento con el
fin de eliminar el efecto de deformación elástica de los componentes de la máquina
involucrados en el sistema de carga. La ecuación utilizada para realizar dicha
corrección, es dada como:
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75
( )exp
1 1i i icorr
prob
L L FK K
⎛ ⎞Δ = Δ −Δ −⎜⎜
⎝ ⎠⎟⎟ (E.35)
Donde Kexp y Kprom son la rigidez experimental y rigidez de la probeta,
respectivamente. Dichas constantes se expresan como:
expi
i
FK
L=
Δ∑∑
(E.36)
0
0prob
A EKL
= (E.37)
Donde:
A0: área transversal inicial de la sección de ensayo de la probeta.
E: modulo de elasticidad.
L0 longitud inicial de la sección de ensayo de la probeta.
2.7 ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA – CORROSIÓN
Los ensayos de fatiga y fatiga corrosión se realizaron en una máquina de flexión
rotativa marca Fatigue Dynamins, modelo RBF-200, la cual se puede observar en la
figura Nº 35. Dicha máquina está diseñada para aplicar ciclos de carga de inversión
completa, en condiciones de flexión en voladizo, empleando probetas de forma
cilíndrica. El equipo dispone de un contador de revoluciones para determinar los ciclos
de falla y una barra calibrada con un contrapeso, la cual se utiliza para aplicar el
momento flector responsable de general el esfuerzo al cual están sometidas las probetas
durante el ensayo.
Para crear el ambiente corrosivo durante el momento del ensayo, la máquina está
provista de una cámara independiente. En este caso, el medio corrosivo utilizado fue
una solución salina de NaCl al 3 %. El rociado de dicha solución sobre la superficie de
la probeta se realiza por medio de una boquilla en la parte superior de la cámara de
corrosión, cuya ubicación coincide aproximadamente con el diámetro mínimo de la
probeta a ensayar, obteniéndose de esta forma una humedad uniforme en la misma.
Todos los ensayos fueron realizados con un caudal de aproximadamente 5 cc/s. El flujo
continuo de la solución se garantizó mediante el uso de una bomba eléctrica rotativa,
inmersa en un depósito para la succión del líquido.
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76
Figura Nº 35, Máquina de ensayo de fatiga en flexión rotativa
Para cada condición se realizaron 24 ensayos a cuatro niveles distintos de
esfuerzo, estos corresponden al 90, 80, 70 y 60% del esfuerzo de fluencia, tanto para los
ensayos de fatiga al aire como los de fatiga corrosión del material base, y el 75, 70, 65 y
60 % del esfuerzo de fluencia, para los ensayos del conjunto substrato-recubrimiento.
Por lo tanto, para cada nivel de esfuerzo se ensayaron 6 probetas.
El montaje de las muestras se realizó sujetando sus extremos mediante mordazas
acopladas al eje del motor y a un eje cónico, a través del cual se aplica la carga
respectiva, ya que dicho eje está unido a una barra graduada en función del momento
flector ( M ) producido por un contrapeso móvil. En vista que el nivel de esfuerzo
necesario en cada ensayo se aplica a través de la barra calibrada, en función del
momento flector, se debe calcular el valor de dicho momento para cada uno de los
niveles de esfuerzo preestablecidos. Para ello se utilizó la siguiente ecuación:
M C SS M II C× ×
= ⇒ = (E.38)
Donde:
M es el momento flector dado en [N.m.]
S es el esfuerzo aplicado dado en [MPa]
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I es el momento polar de inercia dado en [mm4]
C es la distancia desde el eje neutro de carga hasta la superficie de la probeta dado en
[mm]
C=D/2, D es el diámetro de la probeta medido en [mm]
Para una barra circular, se tiene que: 4
64DI π ×
= (E.39)
Sustituyendo se tiene en la ecuación (E.40), se tiene que: 40
36432
2
DSS DM D
ππ
⎛ ⎞× ×⎜ ⎟ × ×⎝ ⎠= = (E.40)
Entonces, el momento flector (M) se obtiene como:
[ ]3 39,0982 Lbf×pulg ó 11.0955 MPa×mmM S D M S D 3⎡ ⎤= × × = × × ⎣ ⎦ (E.41)
Todos los ensayos de fatiga al aire y fatiga corrosión se realizaron a una
frecuencia de 50 Hz y a una velocidad de rotación promedio de 3000 rpm, Los datos
obtenidos de estos ensayos fueron el número de ciclos de falla para cada nivel de
esfuerzo alternante aplicado.
Dichos datos se le aplicó la distribución de Weibull con un porcentaje de
confiabilidad del 50 %, para luego representar gráficamente mediante una curva de
Whöler aplicando los modelos de Basquin (E.32) y Weibull (E.33).
Para el modelo de Basquin dichos datos se representaron en una curva en escala
doble logarítmica del esfuerzo alternante (log Sa) versus el número de ciclos a falla (log-
N) .
Para el modelo de Weibull los datos se representaron en una curva de esfuerzo
alternante (Sa) versus el logaritmo del número de ciclos a falla (log N). Para esto se
represento la ecuación E.33 en función de esfuerzo alternante como se observa en la
ecuación E.42
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1a
eNS Sb
⎛ ⎞= + ⎜ ⎟⎝ ⎠
(E.42)
Donde Se representa el límite a la fatiga para los ensayos de fatiga al aire. Los
dos parámetros que involucra esta relación (a y b) son propiedades de fatiga del metal y
se determinan a partir de los datos experimentales.
2.8 ESTUDIO FRACTOGRÁFICO
El estudio fractográfico se realizó con la finalidad de caracterizar los
mecanismos de falla que actuaron sobre las probetas del conjunto substrato
recubrimiento ensayadas a fatiga al aire y fatiga corrosión. El estudio fue conducido
mediante la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), la cual permite
analizar los mecanismos de fatiga y corrosión, así como la nucleación y crecimiento de
grietas, este se realizó sobre las superficies de fracturas de las probetas escogidas.
En primer lugar se realizó la selección de las probetas a ser estudiadas, tomando
en cuenta sólo las que fallaron a un número de ciclos próximo al promedio de falla .Se
seleccionaron dos probetas ensayadas a fatiga al aire del conjunto substrato-
recubrimiento a un esfuerzo de 726 MPa y 688 MPa, y una probeta a fatiga corrosión
del conjunto correspondiente a un esfuerzo de 688 MPa.
Las muestras se cortaron aproximadamente a 7 mm desde la zona de fractura
utilizando una cortadora de precisión de disco de diamante marca Buehler, modelo
Isomet 2000. Posteriormente, todas las muestras fueron limpiadas, sumergiéndolas en
un envase de vidrio con acetona, en un equipo de limpieza ultrasónica marca Buehler,
modelo Ultramet II, durante 15 minutos; el proceso se repitió por 15 minutos más
utilizando alcohol, todo esto para eliminar grasa u óxido depositado en la superficie de
fractura [18,20].
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Figura Nº 36, Equipo de Microscopía Electrónica de Barrido
Finalmente, se introdujeron estas muestras en el equipo de MEB de la escuela de
metalurgia de la UCV marca Hitachi modelo S-2400 (figura Nº36). Mediante el estudio
fractográfico se determinó el inicio de la o las grietas por fatiga, estriaciones, entre otras
características como se explicó anteriormente y se profundizará más adelante, en virtud
de lo cual se trato de explicar el comportamiento presentado por este conjunto reflejado
en los resultados obtenidos de los ensayos.
2.9 WEIBULL ++
Es el estándar en la industria para el análisis de datos de vida (análisis de
Weibull). El software realiza análisis de datos de vida utilizando distintas distribuciones
de vida incluyendo todas las formas de distribución Weibull, con una interfaz clara y
concisa orientada a la ingeniería de la confiabilidad. Este software provee una gama de
análisis de datos, gráficos y herramientas para informes utilizado en el análisis estándar
de datos de vida con soporte integrado para una variedad de análisis relacionados.
Construido por ingenieros en confiabilidad, este software continúa elevando el estándar
para software de análisis estadístico utilizado para aplicaciones en confiabilidad.
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80
Este software posee las opciones para realizar el análisis de datos de vida según
cualquier tipo de dato, Weibull++ permite analizar datos completos, censurados a la
derecha (suspendidos), censurados a la izquierda, en intervalos y datos en Forma-Libre,
insertados individualmente o en grupos. Una interfaz especializada para analizar datos
en forma de reporte también está disponible. El software soporta el análisis de datos de,
2 y 3 de parámetros de Weibull, 1 y 2 parámetros de la función Exponencial,
Lognormal, Normal, generalizado Gamma y Gamma. Posee un asistente de distribución
el cual realiza automáticamente el cálculo para ayudar a elegir la distribución más
adecuada para cada conjunto de datos en estudio. Permite escoger el método de
estimativa de parámetros más apropiado para su conjunto de datos. Los métodos
disponibles son el Estimador de la Máxima Verosimilitud (Maximum Likelihood
Estimation – MLE), Regresión en X o en Y con los Rangos Medianos, Kaplan-Meier o
el método de ranking de ReliaSoft.
El Weibull ++, de la Versión 7, continua teniendo la misma flexibilidad y
facilidad para realizar los cálculos y generar gráficos de confiabilidad, la cual quedo
marcada como la gran diferencia con las versiones anteriores. Estos diversos gráficos
son útiles para poder demostrar el análisis visualmente. Se puede generar gráficos de
Probabilidad, Confiabilidad vs. Tiempo, Desconfiabilidad (Probabilidad de Falla) vs
Tiempo, pdf, Taza de Falla vs Tiempo, gráfico de Contorno y gráfico de Superficie de la
Función Verosimilitud (3D). El Weibull ++ ofrece los límites de confianza para todos
los análisis de datos de vida, parámetros, resultados de previsión de garantía (Warranty
forecasts), datos recurrentes, etc.
La aplicación de esta distribución a los datos de fatiga, permite calcular un valor
de vida mediana para cada nivel de esfuerzo ejercido; esta se define como el tiempo en
que el 50% de las fallas son esperadas [21] y para el caso de esta investigación esta será
llamada vida media. Estos valores de vida media se emplearán para dibujar las curvas
de wholer según los modelos de basquin y weibull para fatiga.
El método utilizado para la aplicación de la distribución de Weibull a los
resultados experimentales obtenidos en el ensayo de fatiga es el siguiente [21]:
Metodología Experimental CAPITULO II
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81
1) Al abrir el programa de Relia Soft Weibull ++, se elige el folio de análisis de
datos de vida y se elige la opción de tiempos hasta la falla para el tipo de
folio de dato.
2) Luego de esto aparece una hoja tipo Excel como se muestra en la figura
N°37, en el que se colocan los valores experimentales número de ciclos para
un esfuerzo determinado, de estos valores arrojará un solo número, el cual se
utilizará para dibujar la curva de Wöhler para ese esfuerzo.
Figura Nº 37, Ventana principal del programa de Relia Soft Weibull ++
3) En el lado derecho del panel, está una pestaña llamada análisis, en el cual es
posible elegir el método de análisis a utilizar y el método de rango a utilizar,
para el caso especifico de esta investigación se utilizó el método de regresión
lineal (mínimos cuadrados) y un método de rango llamado rango medio.
4) Así pues, regresando a la pestaña principal del programa, existe un icono que
se llama asistente para la distribución como se puede observar en la figura
N°38, este analiza los datos y proporciona una sugerencia para la
distribución que más se ajuste a estos datos, entrando las posibles respuestas
Metodología Experimental CAPITULO II
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82
para este estudio Weibull de 2 y 3 parámetros, al finalizar este análisis, se
escoge la opción de implementar.
Figura Nº 38, Ventana del Asistente para Distribuciones
5) Una vez hecho eso, el programa calcula los valores de los parámetros de la
distribución antes implementada, y genera la opción de graficar la
distribución en un pequeño icono llamado grafico en la parte superior
derecha de la pantalla principal como se muestra en la figura N°39, esto abre
una ventana en la que muestra el gráfico de probabilidad, existe la opción de
elegir cual es el tipo de gráfico que se desea, para este caso particular de
nuestra investigación se escoge la opción del gráfico de función
probabilidad, llamada gráfico f (t).
Metodología Experimental CAPITULO II
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83
FiguraNº 39, Ventana del Relia Soft Weibull ++ al momento de
graficar la función de Probabilidad
6) Una vez obtenido el gráfico, se desea calcular el valor medio de la
distribución, para esto se selecciona el ícono en la misma pantalla llamado
cojín de cálculos rápidos (QCP) esta se muestra a continuación en la figura
N°40, luego se abre automáticamente una nueva ventana al seleccionar este
ícono, en la cual es posible escoger la opción de información BX y con un
porcentaje de 50% se selecciona el ícono calcular, y se genera el valor de
vida media deseado. Igualmente se hace para cada nivel de esfuerzo para así,
obtener este valor de vida media para todos los niveles de esfuerzo
ensayados; con estos puntos se genera las curvas de Wöhler con los métodos
de Basquin y Weibull.
Metodología Experimental CAPITULO II
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84
Figura Nº 40, Ventana del programa Weibull ++, cojín de cálculos rápídos
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
CAPITULO III
RESULTADOS Y ANALISIS DE RESULTADOS
3.1. MATERIAL BASE
3.1.1. Caracterización metalográfica del metal base con y sin
recubrimiento
Con el objetivo de caracterizar microestructuralmente los especímenes
recubiertos y sin recubrir, se procedió a la evaluación metalográfica de las
distintas probetas. Como resultado, se presenta a continuación las figuras que
muestran diversas secciones para así verificar si ha ocurrido alguna modificación
importante en cuanto a la morfología, tamaño y distribución de los
microconstituyentes, como consecuencia de la aplicación del recubrimiento de
diamante sintético y la estadía de los especímenes dentro del reactor de plasma.
Figura Nº 41, Microestructura del substrato Recubierto (izquierda) y sin recubrir (derecha) en la
sección longitudinal
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85
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
FiguraNº 42, Microestructura del substrato Recubierto (izquierda) y sin recubrir (derecha) en la
sección transversal
En las dos figuras anteriores se observa una estructura típica de un acero
AISI 4340 bonificado, es decir en condición de temple y revenido. Desde un
punto de vista cualitativo, las agujas de martensita presentan básicamente el
mismo grosor, aunque se pudiese observar que estas experimentaron un cierto
crecimiento durante el proceso de deposición, no obstante esto no repercutió en el
comportamiento macromecánico del substrato, pudiéndose esto corroborar más
adelante en los ensayos de microindentación estática.
Estas observaciones nos permiten inferir que el substrato no experimenta
modificación alguna como consecuencia de su estadía dentro del reactor. Dicho
comportamiento es consistente tanto en la sección longitudinal como en la
transversal de las barras tratadas.
3.2. CARACTERIZACIÓN DEL CONJUNTO SUBSTRATO-
RECUBRIMIENTO
3.2.1. Determinación del espesor del recubrimiento
Uno de los primeros ensayos realizados al recubrimiento para su
caracterización fue la determinación de su espesor. Se utilizó el método de calotest en el
cual se hicieron 5 mediciones de los diámetros dejados por la esfera del ensayo, tanto
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86
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
para el diámetro externo correspondiente al recubrimiento, así como para el diámetro
interior, el cual corresponde al diámetro del substrato, estos se muestran en la tabla Nº8.
Utilizando los diámetros promedio de las dos circunferencias, y un diámetro de
esfera de 30 mm, se obtuvo el espesor del recubrimiento aplicando la ecuación E.34, el
cual arrojó como resultado un espesor de recubrimiento de 0,79088 µm.
Estos espesores son típicos para este tipo de películas pseudocerámicas, en el
que los esfuerzos residuales aquí generados limitan el espesor posible de la película.
Tabla Nº 8, Resultado de los ensayos de Calotest, para medir el espesor del recubrimiento
Dcr Dcs
499,2 315 437,6 324,3 429,76 311 430,2 310,06
Diámetros (μm)
434,1 310,2
Diámetros Promedio
(μm) 446,172 314,112
Espesor del recubrimiento ( µm ) 0,79088
3.3. ENSAYOS DE MICROINDENTACIÓN
Una vez realizado los ensayos de microindentación, se procedió a graficar los
valores de dureza Vickers vs. Carga aplicada, (Tabla Nº 9), para el substrato con y sin
recubrimiento. El objeto de evaluar el substrato tanto en la condición de entrega como
posteriormente en el proceso de deposición, fue determinar si este último produjo
cambios en la dureza del material base, que pudiese afectar el posterior desempeño del
conjunto y propiedades como la resistencia a la fatiga a consecuencia de
modificaciones a nivel microestructural.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
87
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 9, Resultado de los ensayos de dureza Vickers de substrato
AISI 4340 con y sin recubrimiento
Dureza Vickers AISI 4340 sin recubrimiento Carga 50 100 200 300 500
219,5 297,9 339,3 371,6 331,1 241,6 303,3 378,8 317 343,2 236,6 295 339,3 336,1 335,4
Dureza Hv
236,6 303,3 378,8 330,5 357,5 Promedio 233,575 299,875 359,05 338,8 341,8
Dureza Vickers del substrato AISI 4340 + Recubrimiento Carga 50 100 200 300 500
264,2 311,8 368,6 363,4 376,5 271,2 317,7 386 394,9 353,9 261,3 317,7 365,1 366,2 365,6
Dureza Hv
261,3 314,7 361,9 351,2 353,8 Promedio 264,5 315,475 370,4 368,925 362,45
Estos valores de dureza Vickers vs Carga se graficaron, y se muestran a
continuación en la gráfica Nº 1. En esta se observa, que para el intervalo de carga
aplicada, el material presenta un valor de dureza semejante antes y después de ser
aplicado el proceso de deposición, observándose un pequeño aumento de
aproximadamente el 5 % del valor promedio medido de la dureza en las diferentes
cargas aplicadas, este resultado puede ser atribuido a la precisión del instrumento
de medición. En efecto si se toma en cuenta la desviación estándar de estas
medidas, como se muestra en la grafica Nº 1, se puede observar que el valor de
ambos casos es aproximadamente igual y están dentro de la banda de tendencia.
En la gráfica se evidencia un aumento de dureza a mayor carga aplicada,
este aumento sugiere una dependencia funcional de estos parámetros, aunque de
forma sutil, esta persiste tanto en el substrato sin recubrimiento como en el
substrato recubierto. De manera que este comportamiento podría ser atribuido a
que ambos materiales experimentan cierto endurecimiento por deformación
durante la aplicación de las cargas, es por ello, que a mayores cargas, mayor es la
deformación y por ende podríamos esperar un mayor endurecimiento por
deformación, se podría sugerir en todo caso, determinar para estos valores los
exponentes de Meyer correspondientes, y así ver la sensibilidad del material a
endurecerse por deformación.
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88
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Carga vs Dureza Vickers
0100200300400500600700800900
1000
0 100 200 300 400 500 600
Carga (gr)
Dur
eza
Vick
ers
(Hv)
AISI 4340AISI 4340 + Recubrimiento
Gráfica Nº 1. Curva de la Carga vs. Dureza Vickers del Substrato AISI 4340
con y sin recubrimiento
Con respecto a la dureza absoluta del recubrimiento, esta fue determinada
por Azuaje y Rondon[22]. Estos reportaron una dureza absoluta de la película de
diamante policristalino de 31 GPa siguiendo el modelo propuesto por Puchi
Cabrera[23], la cual se encuentra acorde al intervalo de valores de dureza obtenidos
en la literatura para los recubrimientos de diamante, la cual oscila entre 30 y 90
GPa, variando según el tipo de diamante y la técnica de deposición.
3.4. ENSAYOS DE TRACCIÓN
En la tabla Nº 10, se muestran los valores obtenidos de los ensayos de
tracción realizados al material base y al conjunto substrato recubrimiento. Los
datos de carga y alargamiento para cada ensayo fueron tratados a fin de corregir la
deformación elástica de los elementos de máquina. La tabla muestra los valores
de σy y σuts obtenidos de las curvas esfuerzo vs deformación real para cada
ensayo realizado, esas curvas se muestra en las Gráficas Nº 2 y Nº 3.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
89
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 10, Resultado de los ensayos de tracción del substrato AISI 4340 con y sin
recubrimiento
AISI 4340 AISI 4340 + Recubrimiento
Probeta N° σy (MPa) σuts (MPa) Probeta N° σy
(MPa) σuts
(MPa) 1 990 1129 1 962 1108 2 970 1097 2 960 1084 3 965 1085 3 970 1082
Promedio 975 1104 Promedio 964 1091 Desviación
Estándar 11 19 Desviación Estándar 4 12
Las variaciones que se perciben en las propiedades mecánicas del
conjunto, en principio son muy pequeñas y las mismas podrían estar dentro del
intervalo de la desviación estándar. No obstante, estas diferencias o incremento en
las propiedades mecánicas podrían estar asociadas a la presencia del
recubrimiento, está hipótesis puede ser fácilmente descartable ya que, en principio
el espesor aproximado del recubrimiento es de 0,79 µm, y es poco probable que
una película de este espesor aporte un aumento en la resistencia a la deformación
plástica, ya que se sabe que este tipo de recubrimiento no acompaña al substrato al
momento de producirse esta deformación. Es por esto, que esta diferencia puede
ser atribuida al engrosamiento experimentado por la microestructura del substrato
observada en la microscopia óptica, entonces podemos decir que, esta propiedad
es más sensible a estos cambios microestructurales que la dureza, otros autores
han reportado experiencias similares.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
90
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Esfuerzo-Deformación
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Deformación (e)
Esfu
erzo
(MPa
)
Aisi 4340 1Aisi 4340 2Aisi 4340 3
Gráfica Nº 2. Curva de Esfuerzo real vs. Deformación real del Acero AISI 4340
Esfuerzo-Deformación
0
200
400
600
800
1000
1200
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06
Deformación (e)
Esfu
erzo
(MPa
)
Aisi 4340+Rec 1Aisi 4340+Rec 2Aisi 4340+Rec 3
Gráfica Nº 3. Curva de Esfuerzo real vs. Deformación real del Acero AISI 4340+Recubrimiento
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
91
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
3.5. ENSAYOS DE FATIGA Y FATIGA – CORROSIÓN
En las tablas Nº 11 – 14, se presentan los resultados experimentales obtenidos
en los ensayos de fatiga la aire y fatiga corrosión, se especifica para cada una de las
probetas ensayadas el diámetro del espécimen, el momento flector aplicado y el
esfuerzo alternante asociado a dicho momento flector, el número de ciclos a la fractura
y el promedio de ciclos a falla para cada nivel de esfuerzo, reportándose también el
valor de desviación estándar de este promedio.
Tabla Nº 11, Ensayos de fatiga al aire del Acero AISI 4340 sin recubrimiento
Resultados de los ensayos de fatiga de AISI 4340 Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf)
1 6,44 178,8 12.800 13 6,59 155,7 176.100 2 6,34 170,6 15.100 14 6,36 140,0 218.100 3 6,39 174,7 12.500 15 6,38 141,3 164.900 4 6,48 182,2 12.400 16 6,5 149,4 139.500 5 6,44 178,8 13.400 17 6,42 144,0 278.000 6 6,39 174,7
769,6
16.700 18 6,53 151,5
625,3
210.800 Promedio 14.020 Promedio 197.900
Desviación estándar 1.849 Desviación estándar 48.919
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf) Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
7 6,44 156,5 39.200 19 6,43 200,2 4.500 8 6,37 151,4 64.200 20 6,4 197,5 3.700 9 6,5 160,9 28.300 21 6,33 191,1 4.400
10 6,42 155,0 55.600 22 6,41 198,4 4.900 11 6,45 157,2 73.200 23 6,31 189,2 4.400 12 6,41 154,3
673,4
50.800 24 6,36 193,8
865,8
4.300 Promedio 51.883 Promedio 4.367
Desviación estándar 16.359 Desviación estándar 388
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
92
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 12, Ensayos de fatiga al aire del Acero AISI 4340 + Recubrimiento
Resultados de los ensayos de fatiga de AISI 4340 + recubrimiento Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf)
1 6,41 157,6 307.800 13 6,37 137,6 738.550 2 6,33 151,8 320.780 14 6,58 151,7 640.132 3 6,41 157,6 337.170 15 6,38 138,3 653.960 4 6,48 162,9 300.560 16 6,49 145,5 839.200 5 6,34 152,5 347.950 17 6,41 140,2 848.550 6 6,38 155,4
688
341.790 18 6,51 146,9
612
849.550 Promedio 326.008 Promedio 761.657
Desviación estándar 19.295 Desviación estándar 98.173
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf) Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
7 6,44 151,0 345.310 19 6,36 162,5 244.110 8 6,36 145,5 389.150 20 6,42 167,1 249.060 9 6,39 147,5 355.320 21 6,34 161,0 257.970
10 6,42 149,6 376.900 22 6,51 174,3 284.260 11 6,51 156,0 349.600 23 6,33 160,2 252.430 12 6,42 149,6
650
347.950 24 6,42 167,1
726
251.150 Promedio 360.705 Promedio 256.497
Desviación estándar 18.019 Desviación estándar 14.331
Tabla Nº 13, Ensayos de fatiga corrosión del Acero AISI 4340 sin recubrimiento
Resultados de los ensayos de fatiga Corrosión de AISI 4340 Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf)
1 6,41 176,3 14.200 13 6,40 142,6 38.500 2 6,49 183,0 7.200 14 6,45 146,0 34.500 3 6,48 182,2 11.600 15 6,5 149,4 39.000 4 6,44 178,8 8.300 16 6,48 148,0 39.800 5 6,44 178,8 12.500 17 6,34 138,6 48.900 6 6,43 178,0
769,6
11.100 18 5,35 83,3
625,3
32.800 Promedio 10.817 Promedio 38.917
Desviación estándar 2.623 Desviación estándar 5.613
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf) Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
7 6,51 161,6 24.800 19 6,36 193,8 3.100 8 6,47 158,7 18.000 20 6,4 197,5 3.200
9 6,47 158,7 20.800 21 6,37 194,7 3.700
10 6,38 152,1 18.400 22 6,46 203,1 4000
11 6,51 161,6 32.100 23 6,41 198,4 4100
12 6,39 152,9
673,4
28.600
865,8
Promedio 23.783 Promedio 3.620 Desviación estándar 5.740 Desviación estándar 455
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
93
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 14, Ensayos de fatiga corrosión del Acero AISI 4340 + Recubrimiento
Resultados de los ensayos de fatiga Corrosión de AISI 4340 Recubrimiento Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf)
1 6,41 157,6 49.830 13 6,53 148,3 67.520 2 6,34 152,5 54.640 14 6,39 138,9 78.960 3 6,38 155,4 58.510 15 6,52 147,6 69.940 4 6,44 159,9 45.410 16 6,44 142,2 50.590 5 6,38 155,4 46.200 17 6,52 147,6 71.150 6 6,36 154,0
688
33.890 18 6,34 135,7
612
69.340 Promedio 48.080 Promedio 67.917
Desviación estándar 8.566 Desviación estándar 9.369
Nº de Probeta Diámetro Momento Esfuerzo
(MPa) Ciclos a
falla (Nf) Nº de
Probeta Diámetro Momento Esfuerzo (MPa)
Ciclos a falla (Nf)
7 6,41 148,9 57.060 19 6,51 174,3 39.920 8 6,37 146,2 68.830 20 6,36 162,5 35.850 9 6,39 147,5 68.940 21 6,34 161,0 33.430
10 6,46 152,5 59.590 22 6,41 166,4 31.460 11 6,45 151,7 64.550 23 6,38 164,0 29.800 12 6,35 144,8
650
50.800 24 6,37 163,3
726
32.660 Promedio 61.628 Promedio 33.853
Desviación estándar 7.157 Desviación estándar 3.593
Para realizar el análisis de los datos obtenidos en los ensayos de fatiga al aire y
fatiga corrosión, es importante iniciar esta discusión evaluando el comportamiento
observado para los valores de la desviación estándar reportados para cada uno de los
niveles de esfuerzo ensayados, estos se muestran en las tablas Nº 11 – 14; estos revelan
que a medida que disminuye el valor del esfuerzo aplicado, se puede observar que el
valor de la desviación estándar incrementa considerablemente, esto al menos para el
caso específico de los datos de la fatiga al aire del material base; este comportamiento
ya fue discutido en otras investigaciones previas [24], en donde se atribuye esta
tendencia, a la influencia que ejerce para niveles de esfuerzo relativamente bajos, la
etapa I de la fatiga, la cual es el evento de nucleación de la grieta como mecanismo que
controla el fenómeno de falla por fatiga. Esto, introduce en los datos del resultado una
componente importante de carácter probabilística, la cual se ve reflejado en una alta
desviación estándar para los especimenes ensayados a bajos niveles de esfuerzo, en
comparación con los evaluados a altos niveles de esfuerzo, en los cuales, por el
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
94
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
contrario, esta influencia probabilística se ve disminuida, pasando a ser controlado el
proceso de falla, por el esfuerzo alternante aplicado [24].
Realizando el análisis de la desviación estándar y apoyándonos en lo
anteriormente mencionado, para obtener un resultado cualitativo del efecto que
produce la película en el comportamiento a la fatiga del conjunto substrato-
recubrimiento, no es posible comparar directamente los valores de la desviación
estándar en los resultados del ensayo de fatiga al aire y fatiga corrosión para las
muestras dentro de un mismo valor de esfuerzo, ya que estos ensayos se realizaron
a diferentes niveles de esfuerzo, entonces para poder realizar esta comparación, se
tomo en cuenta, solo los valores de menor esfuerzo aplicado, en donde, se observa
que para las muestras con recubrimiento, esta dispersión entre los resultados es
mucho mayor. Dicho resultado, podría sugerir que existe alguna heterogeneidad
mecánica, en la película producida, la cual afectaría el evento de nucleación.
Este mismo análisis lo podemos realizar para las probetas ensayadas en
condiciones de fatiga corrosión. En este caso los datos reflejan una diferencia
entre la dispersión de los valores mucho menor como era de esperarse, sin
embargo, si comparamos para el conjunto substrato recubrimiento, tanto en
condiciones de fatiga al aire y fatiga corrosión, la tendencia es similar al del
substrato solo, es decir el medio corrosivo, afecta, aunque en menor grado la
nucleación debido a la generación de picaduras por interacción del medio con el
espécimen. Ahora bien si comparamos para los ensayos de fatiga corrosión, el
comportamiento de las muestras con y sin recubrimiento, se ve reflejado el hecho
de que la presencia de la película inhibe, el proceso de picadura, por lo que
entonces podría aumentar las dispersión en los datos experimentales.
Es muy importante mencionar que hasta ahora, solo se ha utilizado la
desviación estándar o dispersión entre los valores de ciclos a la fractura, para
analizar el efecto de la película en la alteración de los mecanismos de nucleación
de la grieta.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
95
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Ahora bien, en otro orden de ideas, a partir de los resultados obtenidos, se
construyeron las curvas de vida empleando el método de distribución de Weibull,
lo cual permitió determinar los valores de vida promedio para un 50% de
confiabilidad. En las tablas Nº 15 – 18, se presentan los resultados de dicha
distribución reportando el nivel de esfuerzo empleado, la vida media para ese
esfuerzo, el tipo de distribución de Weibull utilizada y por último los parámetros
para esta distribución. Adicionalmente se observan en las gráficas Nº 4-8 las
curvas de función de densidad de probabilidad vs número de ciclos para cada
nivel de esfuerzo para todas las condiciones de ensayo, en estas gráficas se
representa los valores de vida promedio antes mencionados.
En las graficas N º4 -7 se puede corroborar lo expresado anteriormente en
cuanto a la desviación estándar a altos ciclos , la cual es mayor ,observándose en
el intervalo de valores de tiempo (t) de las curvas, a menores esfuerzos en cada
condición de ensayo. De igual manera se ve expresada la pequeña variación
estándar para altos esfuerzos.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
96
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 15, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga al aire del
material base
Esfuerzo [Mpa]
Vida Media
Distribución empleada β α δ
625,3 200.990 Weibull 3 parámetros 1,6686 99.323 112.250 673,4 51.745 Weibull 3 parámetros 4,3169 77.169 -18.507 769,6 15.752 Weibull 3 parámetros 0,4666 1.473 12.376 865,8 4.350 Weibull 3 parámetros 10,27 4.285 269
ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com
Función de Densidad de Probabilidad
Tiempo, (t)
f(t)
0,0 300000,060000,0 120000,0 180000,0 240000,00,0
2,5E-4
5,0E-5
1,0E-4
1,5E-4
2,0E-4
Faiga aire Subs\625 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Faiga aire Subs\673 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Faiga aire Subs\769 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Faiga aire Subs\865 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Gráfica Nº 4. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga al aire
del material base a los cuatro niveles de esfuerzo juntos
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
97
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 16, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga al aire del
conjunto Substrato-Recubrimiento
Esfuerzo [Mpa]
Vida Media
Distribución empleada β α δ
612 764.410 Weibull 3 parámetros 3,1833 380.700 42.390 650 362.610 Weibull 3 parámetros 0,9092 18.873 342.860 688 324.950 Weibull 2 parámetros 18,26 334.580 - 726 258.310 Weibull 3 parámetros 0,9343 15.157 242.670
ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com
Función de Densidad de Probabilidad
Tiempo, (t)
f(t)
0,000 1,200E+6240000,000 480000,000 720000,000 960000,0000,000
2,500E-5
5,000E-6
1,000E-5
1,500E-5
2,000E-5
Fatiga aire Subs-Rec\612 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Fatiga aire Subs-Rec\650 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Fatiga aire Subs-Rec\688 MPaWeibull-2P
Línea de la Fdp
Fatiga aire Subs-Rec\726 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Gráfica Nº 5. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga al aire del conjunto
substrato-recubrimiento a los cuatro niveles de esfuerzo juntos
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
98
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 17, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga corrosión del
material base
Esfuerzo [Mpa]
Vida Media
Distribución empleada β α δ
625,3 39.743 Weibull 3 parámetros 1,1196 8.499 31.588 673,4 24.044 Weibull 3 parámetros 2,0933 13.976 11.665 769,6 10.921 Weibull 3 parámetros 7,8907 21.488 -9.494 865,8 3.599 Weibull 2 parámetros 8,5226 3.810 -
ReliaSoft W eibull++ 7 - www.ReliaSoft.com
Función de Densidad de Probabilidad
Tiempo, (t)
f(t)
0,000 60000,00012000,000 24000,000 36000,000 48000,0000,000
8,500E-4
1,700E-4
3,400E-4
5,100E-4
6,800E-4
Fatiga Corrosión Subs\625 MpaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Fatiga Corrosión Subs\673 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Fatiga Corrosión Subs\769 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Fatiga Corrosión Subs\865 MPaWeibull-2P
Línea de la Fdp
Gráfica Nº 6. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga corrosión del
material base a los cuatro niveles de esfuerzo juntos
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
99
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Tabla Nº 18, Resultados de la distribución de Weibull para los ensayos de fatiga corrosión del
conjunto Substrato-Recubrimiento
Esfuerzo [Mpa]
Vida Media Distribución empleada β α δ
612 67.532 Weibull 2 parámetros 7,7070 71.841 - 650 61.401 Weibull 3 parámetros 7,4357 55.720 9.117 688 47.868 Weibull 2 parámetros 5,6990 51.746 - 726 34.094 Weibull 3 parámetros 1,5058 6.464 28.261
ReliaSoft W eibull++ 7 - www.ReliaSoft.comFunción de Densidad de Probabilidad
Tiempo, (t)
f(t)
0,000 300000,00060000,000 120000,000 180000,000 240000,0000,000
1,200E-4
2,400E-5
4,800E-5
7,200E-5
9,600E-5
Faiga Corrosión Rec\612 MPaWeibull-2P
Línea de la Fdp
Faiga Corrosión Rec\650 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Faiga Corrosión Rec\688 MPaWeibull-2P
Línea de la Fdp
Faiga Corrosión Rec\726 MPaWeibull-3P
Línea de la Fdp
Gráfica Nº 7. Gráfico de la función de probabilidad de Weibull para la fatiga corrosión del
conjunto substrato-recubrimiento a los cuatro niveles de esfuerzo juntos
A continuación y tomando en cuenta los datos obtenidos de la vida media,
a través de la distribución de Weibull, se aplicó tanto el modelo de Basquin, como
el propuesto por Weibull para dibujar las curvas S-N. Para el caso de la ecuación
de Basquin, en las graficas Nº 8 y Nº 9 se describen el comportamiento de estas
curvas y en las tablas Nº 18-21 se reportan los valores de los parámetros
involucrados en la mencionada ecuación, esto para las diferentes condiciones
evaluadas en este estudio.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
100
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Fatiga al AireAISI 4340 y AISI 4340 + Recubrimiento
2,76
2,78
2,80
2,82
2,84
2,86
2,88
2,90
2,92
2,94
2,96
3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50
Log (Nº de Ciclos)
Log
(Esf
uerz
o A
ltern
ante
)
Al aire Substrato
Al aire Subs-Recubr
Weibull Substrato
Weibull Recubrimi
Lineal (Weibull Substrato)
Lineal (Weibull Recubrimi)
Gráfica Nº 8. Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga al aire del Acero AISI 4340 y el acero
AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el modelo de Basquin
Tabla Nº 19, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo de fatiga al aire
del substrato
Obtención de la ec. de basquin Fatiga Aire Subs
Datos de la curva Parámetros ec. Basquin
Pendiente = -0,0872 b = -0,0872 Sf = 1.783,20 Intersección (eje Y) 3,2512 Ecuación de Basquin
R2 = 0,9823 ( ) 0,08721783, 2aS N −=
Tabla Nº 20, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo de fatiga al aire
del conjunto substrato-recubrimiento
Obtención de la ec. de basquin Fatiga Aire Subs – Recu.
Datos de la curva Parámetros ec. Basquin
Pendiente = -0,1461 b = -0,1461 Sf = 4.381,27 Intersección (eje Y) 3,6416 Ecuación de Basquin
R2 = 0,8707 ( ) 0,14614381, 27aS N −=
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
101
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Fatiga CorrosiónAISI 4340 y AISI 4340 + Recubrimiento
2,76
2,78
2,80
2,82
2,84
2,86
2,88
2,90
2,92
2,94
2,96
3,50 3,70 3,90 4,10 4,30 4,50 4,70 4,90 5,10
Log(Nº de Ciclos)
Log
(Esf
uerz
o A
ltern
ante
)
Corrosión Substrato
Corrosión Subst-Recubr
Weibull Substrato
Weibull Recubrimiento
Lineal (Weibull Substrato)
Lineal (Weibull Recubrimiento)
Gráfica Nº 9. Gráfico de la curva de Wöhler para la fatiga corrosión del Acero AISI 4340 y el
acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el modelo de Basquin
Tabla Nº 21, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo de fatiga
corrosión del substrato
Obtención de la ec. de basquin Fatiga Corrosión Substrato
Datos de la curva Parámetros ec. Basquin
Pendiente = -0,1369 b = -0,1369 Sf = 2.687,20 Intersección (eje Y) 3,4293 Ecuación de Basquin
R2 = 0,9884 ( ) 0,13692687, 2aS N −=
Tabla Nº 22, Datos de los Parámetros de la ecuación de Basquin para el ensayo de fatiga
corrosión del conjunto substrato-recubrimiento
Obtención de la ec. de basquin Fatiga Corrosión Subs-Recu.
Datos de la curva Parámetros ec. Basquin
Pendiente = -0,2328 b = -0,2328 Sf = 8.323,39 Intersección (eje Y) 3,9203 Ecuación de Basquin
R2 = 0,9339 ( ) 0,23288323,39aS N −=
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
102
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Lo anteriormente mostrado permite analizar de manera cuantitativa el
efecto del recubrimiento en el comportamiento a la fatiga del el conjunto. Como
ejemplo si se compara para la condición de fatiga al aire del material recubierto
con la película de diamante sintético, se produce un aumento de la resistencia a la
fatiga de un 86% para un esfuerzo de 726 MPa y un aumento del 70% para
esfuerzo alrededor de 612 MPa con respecto al material base.
En el caso del resultado del ensayo de fatiga corrosión, se observa un
aumento del 60 % y 33% para niveles de esfuerzo de 612 y 726 MPa
respectivamente para el conjunto.
Este comportamiento podría ser explicado en principio por la presencia de
esfuerzos residuales en el sistema. Es bien sabido que los esfuerzos residuales son
producto de tres componentes aditivas, la primera térmica y tal vez la de mayor
magnitud y luego tendríamos en orden descendente, los esfuerzos de naturaleza
intrínseca y por último los así denominados esfuerzos residuales extrínsecos. Si se
realiza un pequeño análisis de lo que sería la naturaleza de los esfuerzos residuales
térmicos, esperaríamos que estos fueran de carácter compresivo y así es reportado
por la literatura especializada; en efecto se han reportado valores hasta de 3,5
GPa. Esta condición definitivamente restaría capacidad de propagación de las
grietas, de las cuales se conoce que solo se propagaran bajo condiciones de
esfuerzos en tensión, motivo por el cual se debería entonces señalar que el efecto
de los esfuerzos residuales puede ser descrito en términos de la variación de la
relación de esfuerzos efectiva producto de la solicitud mecánica imperante, que en
este caso es por supuesto de naturaleza cíclica. Basta solo con analizar por
ejemplo el modelo de Forman o cualquiera de sus modificaciones para cuantificar
como el valor de R afecta la velocidad de propagación de las grietas y en
consecuencia si entendemos que la presencia de los esfuerzos residuales afecta el
valor de R entonces podemos explicar lo observado en nuestra experimentación.
Definitivamente una condición de esfuerzos residuales en compresión traería
como consecuencia un incremento importante en la resistencia a la fatiga del
sistema. Todo lo anteriormente expuesto no considera el efecto de esto sobre el
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
103
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
evento de nucleación, sin embargo sería interesante realizar estudios tendientes a
establecer esta influencia, para así determinar de forma global el efecto de la
condición de esfuerzos residuales en el fenómeno de fatiga y no solo la presencia
de este, si no también su distribución en la sección transversal de la película y su
posterior relajación dentro del substrato.
Ahora bien, a continuación y como en el caso anterior, tomando en cuenta
los datos obtenidos de la vida media por medio de la distribución de Weibull, esta
vez se aplicó el modelo de Weibull de fatiga como tal, para obtener las curvas S-N
de los ensayos realizados al Acero AISI 4340 con y sin recubrimiento, ensayadas
al aire y en ambiente corrosivo como se muestra en las graficas Nº 10 y Nº 11.
Adicionalmente se presentan las tablas Nº 22 - 25 donde se reportan los valores de
los parámetros involucrados en las ecuaciones de Weibull para las diferentes
condiciones evaluadas en este estudio, destacando el valor del limite de fatiga para
el caso del ensayo de fatiga al aire.
Fatiga Aire AISI 4340 + RecubrimientoWeibull
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50
Log(Nº de Ciclos)
Esfu
erzo
Alte
rnan
te
Al Aire Recubrimiento
Al Aire Substrato
Weibull Aire Recubrimento
Weibull Aire Subtrato
Gráfica Nº 10. Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga al aire del Acero AISI 4340 y el
acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el modelo de Weibull
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
104
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
105
Tabla Nº 23, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo de Fatiga al aire
de las muestras del Substrato
Obtención de la ecuación de Weibull Fatiga al Aire Substrato Datos de la curva Parámetros ec. De Weibull
R2 = 0.9869 Se = 480,1114 b = 365,4228 a = -0.38624 Ecuación de Weibull
( ) 0,38624365, 4228 480,1114S N −= +
Tabla Nº 24, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo de Fatiga al aire
de las muestras del conjunto Substrato-Recubrimiento
Obtención de la ecuación de Weibull Fatiga al Aire Subs-Recu Datos de la curva Parámetros ec. De Weibull
R2 = 0,91748 Se = 506,1638 b = 973,8120 a = -0,1098 Ecuación de Weibull
( ) 0,1098973,8120 506,1638S N −= +
Fatiga Corrosión AISI 4340 + RecubrimientoWeibull
300
400
500
600
700
800
900
1000
3,00 3,50 4,00 4,50 5,00
Log(Nº de Ciclos)
Esf
uerz
o A
ltern
ante
Corrosión Substrato
Corrosión del Recubrimiento
Weibull Corrosion Subtrato
Weibull Corrosion Recubrimento
Gráfica Nº 11. Grafico de la curva de Wöhler para la fatiga corrosión del Acero AISI 4340 y el
acero AISI 4340 + Recubrimiento, utilizando el modelo de Weibull
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
106
Tabla Nº 25, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo de Fatiga
corrosión de las muestras del Substrato
Obtención de la ecuación de Weibull Fatiga Corrosión Substrato Datos de la curva Parámetros ec. De Weibull
R2 = 0,9748 Se = 207,0288 b = 127,4088 a = -0,5825 Ecuación de Weibull
( ) 0,5825127, 4088 207,0288S N −= +
Tabla Nº 26, Datos de los Parámetros de la ecuación de Weibull para el ensayo de Fatiga
corrosión de las muestras del conjunto Substrato-Recubrimiento
Obtención de la ecuación de Weibull Fatiga al Corrosión Subs-Recu Datos de la curva Parámetros ec. De Weibull
R2 = 0,63512 Se = 234,324 b = 473,867 a = -0,7101 Ecuación de Weibull
( ) 0,7101473,867 234,324S N −= +
En estas gráficas, se observó un aumento de la resistencia a la fatiga
semejante al obtenido en el caso anterior para el modelo de Basquin. Por otra
parte, en la grafica Nº10 se muestra la curva S – N para los ensayos de fatiga al
aire de los especimenes con y sin recubrimiento, aquí es posible observar el ajuste
que realiza el modelo de Weibull para los datos experimentales, el cual reporta un
límite de fatiga de 480 MPa para las muestras sin recubrimiento y un límite de
fatiga de 506 MPa para el conjunto Substrato-Recubrimiento, observándose así un
aumento del 5 %. Es importante destacar que para la condición de fatiga corrosión
aunque el modelo de Weibull arroje un resultado numérico para el límite de fatiga,
este valor carece de algún sentido físico, debido a que el fenómeno de fatiga
corrosión no permite una vida infinita del material para cualquier tipo de esfuerzo.
Luego de haber representado ambos modelos, tanto el de Basquin como el
modelo de Weibull para fatiga, es posible hacer una comparación entre ambos
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
para así lograr precisar cual de estos se ajusta mejor a los datos obtenidos
experimentalmente, en primera instancia, y tomando en cuenta el valor de R2 para
cada tendencia se observa que para el ajuste del ensayo de fatiga al aire tanto para
las muestras del material base como para el conjunto substrato recubrimiento el
modelo de Weibull se ajusta en un 0.47 % y un 5,1% mejor a estos valores del
modelo de Basquin, por el contrario analizando el valor de R2 para el ajuste de las
muestras de fatiga corrosión el modelo de Basquin se ajusta en un 1,4% y un 47%
mejor que el modelo de Weibull. En vista de esto, la ecuación de Weibull presenta
una ventaja para el análisis de datos experimentales de fatiga al aire, ya que
además de presentar un mejor ajuste proporciona un valor numérico del límite de
fatiga tanto del substrato como del conjunto substrato recubrimiento.
3.6. ESTUDIO FRACTOGAFICO (MEB)
A continuación se muestran los resultados obtenidos del estudio
fractográfico, realizado a partir de la técnica de Microscopía Electrónica de
Barrido (MEB) a tres muestras ensayadas. De estos resultados se presentan una
serie de microfotografías con diferentes aumentos para cada una de ellas, con la
finalidad de diferenciar las zonas de fractura por fatiga, y observar los puntos de
inicio de grieta.
Figura Nº 43, Vista general del área de fractura del conjunto substrato recubrimiento ensayado a
fatiga al aire sometido a un esfuerzo de 726 MPa(a) y a un esfuerzo de 688 (b)
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
107
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
Del estudio fractográfico de los especimenes recubiertos con la película de
diamante policristalino sintético, sometidas a ensayos de fatiga y fatiga corrosión,
se observó que todos las muestras presentan múltiples inicios de grietas de fatiga
en la superficie de fractura. En la figura N° 43 se presentan las superficies de
fractura de los especímenes ensayados a fatiga al aire (a) 726 MPa y (b) 688 MPa
donde se evidencia la multiplicidad en función de los escalones de clivaje que se
generan, como consecuencia de la convergencia de dos o más frentes de
crecimiento de grieta. La superficie de factura del espécimen ensayado a mayor
esfuerzo presenta una zona de propagación de grieta menor que la del menor
esfuerzo como era de esperarse. Tomando en cuenta la cantidad de grietas
presentes en las dos figuras, pareciera haber una tendencia de mayor cantidad de
inicios de grietas para un mayor esfuerzo alternante.
Figura Nº 44, Microfotografía del área de fractura del conjunto substrato recubrimiento
ensayado a fatiga al aire sometido a un esfuerzo de 726 MPa (a) y de las marcas radiales (b)
En la figura N° 44 (b), podemos observar la magnificación de una zona de
inicio de grieta del espécimen ensayado a fatiga al aire a 688 MPa donde se
evidencia la presencia de marcas radiales convergiendo hacia un punto sugiriendo
a este como sitio de nucleación de una de las grietas de fatiga.
Diferentes características del mecanismo de fractura por fatiga, se puede
observar en la figura N° 45 donde se presentan las marcas radiales de la
propagación de una grieta, así como también las estriaciones de fatiga (figura N°
45-b) las cuales son producto del avance del frente de fisura durante cada ciclo de
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
108
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
carga. Luego obteniendo una magnificación de la zona de fractura por sobre carga
se aprecia claramente la presencias de dimples o microhoyuelos los cuales se
puede decir que son producto de la ocurrencia de fenómenos de inestabilidad
plástica, todas estas zonas forman parte de lo que serían aspectos topográficos
clásicos de una falla por fatiga, en ensayos controlados.
Figura Nº 45, Microfotografía de las marcas radiales, de la muestras substrato recubrimiento,
sometido a un esfuerzo alternante de 726 MPa (a), estriaciones de fatiga (b) y microhoyuelos (c)
Figura Nº 46, Microfotografía del área de fractura del conjunto substrato recubrimiento
ensayado a fatiga corrosión sometido a un esfuerzo de 688 MPa (a) y de las estriaciones de fatiga
(b)
En el caso del espécimen ensayo a fatiga corrosión se evidencia un
comportamiento similar al observado en el caso de la fatiga al aire, sugiriendo
esto, que el ambiente corrosivo no afecta los mecanismos de fractura por fatiga.
Se podría observar al comparar las figuras N° 43-(a) y (b), y la figura N° 46-(a),
una mayor cantidad de inicios de grietas en la superficie de fractura de la probeta
ensayada a fatiga corrosión, pudiéndose explicar este fenómeno debido a la
interacción de la superficie libre del recubrimiento con el ambiente agresivo, la
cual en principio podría estar propiciando la generación de picaduras que
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
109
Resultados y Análisis de Resultados CAPITULO III
posteriormente se convertirían en sitio potenciales para la nucleación de la grietas
de fatiga. Por otra parte, se puede apreciar en la figura N° 46-(b) la formación de
estriaciones como mecanismo de fractura por fatiga, sin que la presencia del
medio corrosivo propicie alteraciones morfológicas en la superficie de
propagación estable de la grieta.
Figura Nº 47, Microfotografía de los microhoyuelos, de la muestras substrato recubrimiento,
sometido a un esfuerzo alternante de 726 MPa
Por último, en la figura N° 47 (a) y (b), se puede distinguir, la etapa de
transición entre la zona de propagación estable de la grieta y la zona de fractura
por sobre carga en la cual se aprecia una morfología combinada, en la cual pueden
coexistir tanto microhoyuelos como mesetas relativamente lisas, asociadas al
avance de la grieta de fatiga.
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
110
Conclusiones y Recomendaciones CAPITULO IV
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
111
CAPITULO IV
CONCLUSIONES Y RECOMENDACONES
4.1 CONCLUSIONES
Una vez realizado el análisis de los resultados obtenidos a partir de todas las
evaluaciones experimentales realizadas en el presente estudio, se ha podido llegar a las
siguientes conclusiones, las cuales se presentan a continuación:
1. La metalografía del substrato nos permite inferir que el substrato no
experimenta modificación alguna como consecuencia de su estadía dentro
del reactor. Dicho comportamiento es consistente tanto en la sección
longitudinal como en la transversal de las barras tratadas. Este
comportamiento se presenta de igual manera en los ensayos de dureza.
2. El espesor del recubrimiento obtenido es típico para este tipo de películas
pseudocerámicas, en el que los esfuerzos residuales aquí generados limitan el
espesor posible de la película.
3. La propiedad de dureza es menos sensible con respecto a la tracción tomando
en cuenta estos cambios microestructurales del substrato antes y después del
proceso de deposición.
4. Para el modelo de Basquin, existe un aumento en la resistencia a la fatiga
del conjunto la cual, para el caso de fatiga al aire, es del orden de 86 % para
esfuerzos cercanos a 726 MPa y 70 % para esfuerzos 612 MPa. En el caso de
fatiga corrosión, el aumento de la resistencia a la fatiga fue de 33 y 60 %
para los niveles de 726 y 612 MPa respectivamente. Este comportamiento
puede ser atribuido a la presencia del recubrimiento.
5. En cuanto al modelo de Weibull, existe un aumento en el límite de
resistencia a la fatiga del conjunto substrato-recubrimiento, en el caso de
Conclusiones y Recomendaciones CAPITULO IV
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
112
fatiga al aire, del orden del 5 %, arrojando un valor de 480 MPa para el
material base y un límite de resistencia a la fatiga de 506 MPa para el
conjunto substrato recubrimiento, esto puede ser atribuido a la presencia del
recubrimiento.
6. El modelo de Weibull para fatiga, se ajusta mejor a los valores
experimentales en comparación al modelo de Basquin para los ensayos de
fatiga al aire, tanto para el material base como para el conjunto substrato-
recubrimiento, además, aporta un resultado numérico del límite de
resistencia a la fatiga, mostrando ser, un modelo más versátil para el estudio
de fatiga.
Conclusiones y Recomendaciones CAPITULO IV
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNÁNDEZ UCV
113
4.2 RECOMENDACIONES
1. Introducir la evaluación y parametrización de los intervalos de confianza
en la distribución de Weibull, para de esta manera estimar un intervalo de
vida media para cada nivel de esfuerzo y así realizar distintas curvas de
Wöhler según el criterio deseado de niveles de confianza.
2. Evaluar los exponentes de Meyer, correspondientes a los resultados de
microindentación, y de esta manera observar la sensibilidad del material a
endurecerse por deformación.
3. Realizar estudios tendientes a establecer la influencia de los esfuerzos
residuales sobre el evento de nucleación, para así determinar de forma global
el efecto de la condición de esfuerzos residuales en el fenómeno de fatiga y
no solo la presencia de este, si no también su distribución en la sección
transversal de la película y su posterior relajación dentro del substrato.
BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFIA
(1) Liu, A.Y. y Cohen, M. (1990) Physics Rev. (41) : 10-27
(2) Kreider, K. y otros(1995). Applications of diamond films and related
materials: Third International Conference San Diego California, Ed. A.
Feldman (865)
(3) Sarwar, M. (1995) Applications of diamond films and related
materials: Third International Conference San D iego California, Ed.
A. Feldman, 219
(4) De Sánchez, N. y otros (2005). Recubrimientos de TiC sobre aceros
AISI 4340 y 2311 utilizados en la Industria, Revista colombiana de
física, (37, no. 1) : 164-178
(5) Shih, K. y Dove, D. (1992), Appl. Phys. Lett, (61)
(6) Pal, A. (2002) Plasma processing of super hard coatings, Current
Science, (83, N°. 3)
(7) Roca, C y Carles (2006) Thin film structures of diamond-like carbon
prepared by pulsed plasma techniques, Universidad de Barcelona
(España)
(8) Rodrigo, A. (2004) Procesamiento de Materiales por Plasma,
Departamento de Materiales, Comisión Nacional de Energía Atómico,
Buenos Aires :20-56
(9) Silva, F. y otros (2005) Unstressed PACVD diamond films on steel
precoated with a composite multilayer, Surface, coating and
technology (191) : 102-107
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV 114
BIBLIOGRAFÍA
(10) Li, Y.y Hirose, A (2007) The effects of substrate compositions on
adhesion of diamons dilms deposited on Fe-base alloys Surface,
coating and technology (202) : 280-287
(11) Moreno, F., Salazar, W. y Sáenz, L. (2005) Evaluación del
comportamiento mecánico a la fatiga en aceros AISI 4340 y AISI 4140
tratados térmicamente con recocidos y normalizados, Revista
Ingeniería UC. (12, No 1) : 40-45
(12) ASM Handbook (1985) Failure Analysis and Prevention (10)
9na.edición
(13) Forrest, P. (1972) Fatiga de los Metales. Ediciones Urmo. Bilbao, : 28-
60
(14) Puchi, E., Staia, M. y Ochoa, E. (2007) Fatigue properties of a SAE
4340 steel coated with TiCN by PAPVD, International Journal Fatigue
(29) : 471-480.
(15) Sakin, R., Irfan, A. (2007) Statistical análisis of bending fatigue life
data using Weibull distribution in glass-fiber reinforced polyster
composites, J Masterials Design, (1016): 121-134
(16) Piñero, Alejandro. (2005) Estudio del comportamiento a la fatiga al
aire y fatiga corrosión de una aleación de aluminio 6063-T6 recubierta
con un deposito autocatalítico de Ni-P, Universidad Central de
Venezuela, Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Mecánica
(19-20)
(17) Weibull, W. (1961) Fatiga Testing and Analusis of results, Capitulo I y
II (2) : 133-249
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV 115
BIBLIOGRAFÍA
(18) ASTM E370-03a (1982) Standard Test Methods and Definitions for
Mechanical Testing of Steel Products
(19) ASTM E384-01 (1982) Standard Test Method for Microhardness of
materials
(20) ASTM E606-03 (1982) Standard Terminology Relating to Methods of
Mechanical Testing
(21) Guia de Ingenieria de Confiabilidad (2006), Analisis de datos de Vida,
Sesión I, ReliaSoft
(22) Aguaje, L., Rondon, L (2007) Estudio de la factibilidad técnica para la
sustitución de herramientas de PDC/WC-Co por insertos de HSS
nitrurado ionicamente y recubierto con película de DLC, Universidad
Central de Venezuela
(23) Puchi, E. (2004) Computation of the composite hardness of coated
systems, Surface Engineering, (20) : 332-344
(24) Cazaud, R. (1957) La fatiga de los metales, Ediciones Aguilar (4) : 34-
42
(25) ASM Handbook (1985) Failure Analysis and Prevention, Volume 9,
9na edición
(26) Sivapragash, M. y P. Lakshminarayanan (2008) Fatigue life prediction
of ZE41A magnesium alloy using Weibull Distribution, Materials and
Design
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV 116
BIBLIOGRAFÍA
(27) Sarwar, M. (1995) Applications of diamond films and related
materials: Third International Conference San Diego California, Ed. A.
Feldman (219)
(28) De Sánchez, N., Jaramillo H. y Zambrano, G. (2005) Recubrimientos
de TiC sobre Aceros AISI 4340 y 2311 utilizados en la industria,
Universidad del Valle, Cali, Colombia, Revista Colombiana De Física,
(37, No. 1)
(29) Godoy, Luis A. (2003), Mecánica avanzada de materiales,
Departament of Civil Engineering and Surveying, Universidad de
Puerto Rico-Mayagüez Campus
(30) Madayag, A. (1969) Metal Fatigue, Theory and Design, University of
Southern California, Los Angeles
(31) ASM Handbook, Properties and Selection of Metals, 8va Edición (1)
(32) Baragetti, S. y Tordini, F. (2007), “Fatigue resistance of PECVD
coated steel alloy”, International Journal Fatigue, Vol 29, 2007, pp.
1832-1832
(33) Tze-Pin, L, Cooper G. y Hood M (1993) Fatigue test on polycrystalline
diamond compacts, Materials Science and Engineering (163) : 23-31
PEDRO ALVAREZ y RAFAEL HERNANDEZ UCV 117